一个宏观热力学系统（不考虑系统的整体运动），从微观角度来看，系统的内能
包括分子热运动能量、分子间的相互作用势能，分子和原子内部运动的能量，以及电场能和磁场能等
英国实验物理学家，一位自学成才的科学家。他用近40年时间所做的热功当量实验，对能量守恒定律的建立作出了不可磨灭的贡献。
从微观上看系统内能的变化是通过高温物体（电炉）的分子与贮水器的器壁分子相互碰撞交换能量，再通过贮水器器壁分子与水分子碰撞交换能量所产生的结果。
所谓热功当量是指多少机械功使物质升温的效果与1卡（cal）的热量等当。
做“电功”改变系统状态的过程，微观上是粒子（载流子）的有规则运动（载流子在电场力作用下定向运动）向无规则热运动的转化和传递的过程（转化过程通过载流子与其他粒子碰撞来实现）。在该过程中电源通过电流做功使电能转变为系统内能。
自古以来人类对热的本质的认识有两种，即热质说和热动说。热质说认为热是一种特殊物质称为热质，它由无重量的细粒子组成，可以从一个物体流向另一物体。热动说则认为热是组成物质的微粒子（如分子）运动的表现。可由机械运动转化而来。
热功当量试验为否定热质说确立热动说打下了坚实的基础。
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03-09-01
系统的内能、功、热量
本节讨论描述热力学系统的状态函数──内能的概念以及它与功和热量的关系
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严导淦编《物理学》，第3版上册，北京，高教出版社，1998
张三慧编《大学物理学》，第2版，第2册:热学，北京，清华大学出版社，2000，1
吴百诗编《大学物理学》，修订版，下册，北京，西安交通大学出版社，1995，12
马文尉编《物理学》，第5版，第一册，北京，高教出版社，1998，6
胡盘新改编(程守洙、江之永主编)《普通物理学》，第5版，北京，高教出版社
吴锡珑主编《大学物理学》上海交通大学出版社
赵凯华、罗蔚茵编著《新概念物理教程》第2卷，北京，高教出版社 |
一个宏观热力学系统（不考虑系统的整体运动），从微观角度来看，系统的内能包括分子热运动能量、分子间的相互作用势能，分子和原子内部运动的能量，以及电场能和磁场能等。
在 温度不太高的情况下，对一定质量的 气体分子组成的系统，内能是系统内分子热运动动能和分子间相互作用势能的总和。系统内能是温度( T)和体积( V)的函数，即：  。
对于理想气体，内能只是温度的单值函数，即 ，在常温下，理想气体内能为
当温度变化△T 时，其内能增量为
内能是系统状态的函数，物质的状态一定，内能也一定，当系统从一个状态变化到另一个状态时，不管它的变化过程如何，内能的改变总是一个定值。那么怎样改变系统的状态，从而引起系统内能的变化呢？
通常有两种方式：做功和传热
功是能量传递与转化的量度。对系统做功使系统状态发生变化，同时就完成了能量的传递与转移过程。例如：
1．对系统做机械功
如图(1)，重物下落带动轮叶旋转，通过搅拌对绝热容器内的液体做功，使液体升温，即状态发生变化。在这一过程中完成了机械能和内能的转化和传递过程。
图1 对系统做机械功
应当注意功是过程量而不是态函数。两个平衡态之间可经历不同的准静态过程，系统所做的功不同。
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2．对系统做电功 如图(2)，电流通过电热丝使绝热容器内的液体温度升高，在这一过程中电能转化为系统的内能。
图2 对系统做电功
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系统与外界之间由于存在温度差而传递的能量叫做热量。例如图(3)，电炉对贮水器（A )内的水加热，把能量不断地传递给低温的水，水在未沸腾前温度逐渐升高，使系统状态发生变化，内能增加。
注意：
①热量不是状态函数，它是与某一过程相联系的。
②系统由一个状态到另一个状态经历不同过程，吸收（或放出）的热量不同。关于这一点将在本章第三节讨论。
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图3 对系统传递热量 |
对于某一系统，在不考虑系统机械运动的前提下，“做功”和“传热”都可以改变系统的热力学状态，产生内能的变化。对某一系统内能的改变来说，对系统做功和向系统传递热量有相同的效果。它们都是系统能量变化的量度。
实验证明：一定量的功与一定量的热量等当。焦耳等人进行了艰苦探索，通过实验揭示了热量与功之间确定的当量关系。用 热功当量（目前国际通用的标准之一为4．186卡/焦耳）来表示。
热功当量试验表明：
①既然热量与功有确定的当量关系，而功是与“运动”有关的量，那么热量也当然是与一种运动有关的量。热量不是“热质”。
②图(2)和图(1)实验表明，向液体传递热量可以用通电或做机械功的方法来代替，说明电磁运动或机械运动与热运动之间是可以相互转化的。这一现象启迪人们继续发现了各种物质之间的相互转化关系，从而为能量转化和守恒定律的建立奠定了基础。 | 
图4 焦耳在做热功当量实验 |
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