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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 Q 表示外界传给系统的热量,W 表示系统对外做的功,则系统内能改变为 ΔU=Q−W. U 是状态量,初末状态一旦确定,ΔU 就确定;Q 与 W 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 ΔU=Q+Won,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 p 在短过程内可视为均匀,活塞位移 dx 使体积增量 dV=Adx,气体对外做功 dW=pAdx=pdV。因此准静态过程中 W=∫V1V2pdV;在压力—体积图上,这是曲线下的有向面积。压缩时 dV<0,气体对外做功为负,外界是在对气体做功。

压力体积坐标中从一升到二升的水平等压膨胀,矩形面积标为一百焦耳;热量二百五十焦耳进入气体
压强乘体积变化给出做功,输入热量减去这部分,剩下的才是内能增加。

教学算例取恒压 p=100kPa,体积从 1.0 升增加到 2.0 升,吸热 Q=250J。一升等于 10−3m3,体积增加 0.001m3,于是 W=pΔV=(100000)(0.001)J=100J. 内能增加 ΔU=250−100=150J。Pam3=J,量纲也正确。若这团气体还可视为单原子理想气体,ΔU=32nRΔT 且恒压下 nRΔT=pΔV=100J,恰好给出 150J;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 p(V) 曲线,曲线下的面积一般不同,于是 W 不同,所需的 Q=ΔU+W 也不同。绝热过程 Q=0;定容过程 W=0。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,ΔUcycle=0,于是按本页符号约定有 Qcycle=Wcycle。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