热力学第一定律

                     

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预备知识 压力体积图,理想气体内能
图
图 1:热力学第一定律

定理 1 热力学第一定律

   系统的内能 $U$ 增加等于外部对系统传递的热量 $Q$(流入系统为正)减去系统对外做功 $W$(系统对外做功为正):

\begin{equation} \Delta U = Q - W \end{equation}
热力学第一定律写成微分形式是
\begin{equation} \,\mathrm{d}{U} = \delta Q - \delta W \end{equation}
如果仅有体积功,那么
\begin{equation} \,\mathrm{d}{U} = \delta Q - P \,\mathrm{d}{V} \end{equation}

  1热力学第一定律是能量守恒在热力学中的体现,在经典热力学中是一条公理.热力学第一定律的另一种表述是:第一类永动机是不可能的.

未完成:什么是第一类永动机?链接到永动机词条

1. 内能、功、热

   内能 U 指系统包括的总能量,包括(但不限于)系统内分子的平动动能、转动动能、分子间的相互作用能等,是一个状态量.系统的内能有时也用 $E$ 表示.

   热 Q 是指系统与环境由于温度差而引起的能量转移,是通过微观粒子的无规则相互作用传递的,是一个过程量.

   功 W 是指除热之外的其他能量传递形式,一般是由宏观的作用力和宏观位移产生的,例如机械功等于压力乘以体积变化、表面功等于表面张力乘以表面积变化等,也是一个过程量.

例 1 膨胀的气体

   对于活塞容器中克服外界压力膨胀的气体,把外界压强记为 $P$,系统体积记为 $V$,那么系统克服外压、对外做的功可以写成:

\begin{equation} W = \int_{V_1}^{V_2} P \,\mathrm{d}{V} \end{equation}

2. 状态量与过程量

预备知识 状态量和过程量

   内能 $U$ 只和系统的状态有关,被称为状态量.所以 $\Delta U$ 也只与系统的初始和最终的状态有关,与中间的过程无关.系统发生微小变动时,状态量的微小变化一般记为 $ \,\mathrm{d}{X} $.

   $Q$ 和 $W$ 和系统变化的过程本身有关,被称为过程量,也就是说即使系统的初末状态确定,系统变化的具体过程不一样,也会导致它们的不同.系统发生微小变动时,过程量一般记为 $\delta X$.


1. ^ 本文参考自朱文涛《简明物理化学》


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