热力学第一定律和其不同形式的表述

1  热力学第一定律

热力学第一定律简单地指出,能量既不能产生也不能破坏,即:能量守恒。

热力学第一定律的不同阐述方式

  1. 物体内能的增加等于物体吸收的热量和对物体所作的功的总和。
  2. 系统在绝热状态时,功只取决于系统初始状态和结束状态的能量,和过程无关。
  3. 孤立系统的能量永远守恒。
  4. 系统经过绝热循环,其所做的功为零,因此第一类永动机是不可能的(即不消耗能量做功的机械)。
  5. 两个系统相互作用时,功具有唯一的数值,可以为正、负或零。

2  热力学第一定律的阐释

热力学第一定律告诉我们,能量既不会产生也不会破坏,因此,宇宙的能量是一个常数。但是,能量可以从宇宙的一部分转移到另一部分。为了解决热力学问题,我们需要将宇宙的特定部分,系统与宇宙的其余部分,周围环境隔离开来。

不同系统之间的能量传递可以表示为:

E1 = E2

其中:

  • 1 =初始能量
  • 2 =最终能量

内能包括:

  • 与原子运动有关的动能
  • 存储在分子化学键中的势能
  • 系统的势能

第一定律是热力学科学和工程分析的起点。

根据可能发生的交换类型,将系统定义为三种类型:

  • 孤立的系统:不交换物质或能量
  • 封闭系统:没有物质交换,但是有一些能量交换
  • 开放系统:物质和能量的交换

第一条定律利用了内能,热量和系统功的关键概念。它被广泛用于热机的讨论中。

内能内部能量定义为与分子的随机无序运动相关的能量。它在规模上与与运动物体有关的宏观有序能量分开;它是指原子和分子尺度上的隐形微观能量。例如,放在桌子上的一杯室温水没有表观能量,无论是势能还是动能。但是在微观尺度上,它是一杯高速运动的分子的质量。
热量热可以被定义为从高温物体到低温物体的传输能量。一个单独的物体不具有“热量”。物体中微观能量的适当术语是内部能量。内部能量可以通过从较高温度(较热)的物体传递能量到物体来增加,这称为热量传输。
当通过热力学系统完成工作时,通常是由气体完成工作。气体在恒压下所做的功为W = p V,其中W为功,p为压力,dV为体积变化。
对于非恒定压力,可以将工作可视化为代表发生过程的压力-体积曲线下的面积。
热机冰箱,热泵,卡诺循环,奥托循环

3  系统内能的变化

系统内部能量的变化等于系统增加的热量减去系统完成的功:

dE = Q-W

其中:

  • dE =内部能量的变化
  • Q =添加到系统的热量
  • W =系统完成的工作

注:热力学第一定律不能描述的能量转换方向的信息,也不能确定最终的平衡状态。

4  焓-Enthalpy

焓(Enthalpy)是在反应和非循环过程的化学热力学中有用的“热力学势能”。

焓定义为:

H = U + PV

  • H =
  • U = 内能
  • P = 压强
  • V = 体积

因此焓是一个可精确测量的状态变量,因为它是根据其他三个可精确定义的状态变量定义的。

5  熵-Entropy

熵(Entropy)用于定义系统中的不可用能量,其物理意义是系统混乱程度的度量。

熵定义了一个系统对另一个系统起作用的相对能力。随着事物朝着较低的能级移动,在较低的能级上,事物对周围环境的作用减弱,熵会增加。对于整个宇宙而言,熵一直在增加。

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