4.1.3 热力学第一定律

大量事实表明,系统和外界间既可以通过做功,又可以通过 传热的方式进行能量交换,尽管两者的本质不同,但对于系统状。热力学第一定律中涉及什么物理 态的改变二者是等效的。假设系统在某热力学过程中从外界吸量。分别怎么计算。特别要掌握 收热量 Q,对外界做功 W,同时系统的内能由 E,变化到 E,则有

$$Q = W + E_2 - E_1 = W + \Delta E \tag{4.1.8}$$

即系统从外界吸收的热量等于系统内能的增加量与系统对外做 功的和,这就是热力学第一定律。式(4.1.8)是热力学第一定律 的数学表达式,它是普遍的能量守恒定律在热力学范围内的具体 表达,式中各量可正可负。$Q>0$ 表示系统从外界吸热, $Q<0$ 表示 系统向外界放出吸热: $W>0$ 表示系统对外界做正功, $W<0$ 表示系 统对外界做负功,或外界对系统做正功; $\Delta E > 0$ 表示系统的内能 增加, $\Delta E < 0$ 表示系统的内能减少。

对于一个微小的热力学过程,热力学第一定律表示为

$$dQ = dW + dE \tag{4.1.9}$$

该式称为热力学第一定律的微分形式。由于内能是状态量,dE 是 E 的全微分,表示微小过程始末的内能增量。而功和热量是过 程量,dW和dQ不是全微分,它们分别表示系统在微小过程中做 的元功和吸收的热量。

应当指出,热力学第一定律只要求系统在初态和终态是平衡 态,而在过程中经历的各态不一定是平衡态。也就是说,热力学 第一定律对于准静态过程和非静态过程同样适用。

热力学第一定律表明,若要系统对外做正功,要么吸收外界 热量,要么消耗自身内能,或者二者兼而有之。历史上曾有一些 人试图制造一种不消耗自身内能,又不需要任何能源,而能持续 对外做正功的机器,称为第一类永动机。当然,所有的尝试与努 力都宣告失败。因此,热力学第一定律有另外一种表述:第一类 永动机是不可能制成的。

三个等值过程,绝热过程和多方过 程的计算方法。