热力学第一定律

                     

贡献者： _Eden_; addis; ACertainUser

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预备知识 1　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？链接到永动机文章

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 2　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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