热力学第一定律
把一团气体与外界划出边界,就能追踪能量怎样越过边界。热力学第一定律是这笔收支:若 表示外界传给系统的热量, 表示系统对外做的功,则系统内能改变为 是状态量,初末状态一旦确定, 就确定; 与 则随过程而变。这里约定“气体对外做功”为正;有些书采用“外界对气体做功”为正,公式会写成 ,两种记法必须先看定义。
活塞推动外界
气体在可移动活塞内膨胀。若外压 在短过程内可视为均匀,活塞位移 使体积增量 ,气体对外做功 。因此准静态过程中 ;在压力—体积图上,这是曲线下的有向面积。压缩时 ,气体对外做功为负,外界是在对气体做功。
教学算例取恒压 ,体积从 升增加到 升,吸热 。一升等于 ,体积增加 ,于是 内能增加 。,量纲也正确。若这团气体还可视为单原子理想气体, 且恒压下 ,恰好给出 ;这一步另用了理想气体与单原子假设。
同端点不等于同做功
若从同一初态到同一末态改走另一条 曲线,曲线下的面积一般不同,于是 不同,所需的 也不同。绝热过程 ;定容过程 。这些过程名说的是跨边界的传热或体积变化条件,不是说气体“没有能量”。
如果系统走完一整个循环又回到原来的热力学状态,,于是按本页符号约定有 。这只表示净吸热等于净对外做功,并不表示每段过程的热量和功都为零。压力—体积图上一条闭合曲线所围的有向面积给出循环净功;顺时针与逆时针循环的符号相反。第一定律管能量收支,热量能否全部转化为功还要受热力学第二定律约束。
参考资料
- OpenStax《University Physics》3.3,第一定律与符号约定。
- OpenStax《University Physics》3.2,功、热与内能。