热力学第一定律

热力学第一定律指出，孤立系统的总能量保持不变。 它也被称为能量守恒定律，该定律指出能量既不能被创造也不能被消灭，但可以在孤立系统中从一种形式转化为另一种形式。

根据该定律，当向系统提供一定量的热量时，系统吸收的热量等于系统内能（内能的变化）的增加和系统对外所做的功之和。

或者说，内能的变化等于供给系统的总热量和系统所做的功之差。

热力学第一定律用以下公式表示

ΔU = ΔQ - ΔW

其中，

ΔU = 系统内能的变化

ΔQ = 提供给系统的热量

ΔW = 系统所做的功。

因此，提供给系统的热量为：

ΔQ = ΔU + ΔW

热力学第一定律表明了提供给系统的热量与内能以及系统所做的功之间的关系。 大多数有用的发明都基于该定律，例如热机、冰箱和空调。

让我们以蒸汽机为例 来理解热力学第一定律。在蒸汽机中，热能转化为机械能。水被加热变成蒸汽，产生压力以驱动气缸内的活塞，从而移动引擎。因此，当一种类型的能量消失时，另一种类型的等量能量就会出现。无法制造出无需消耗能量就能工作的机器。

热力学系统

它指的是具有特定限制的物理宇宙的一部分，该部分正在被观察。该系统可以进行内部转换，并与外部环境或周围环境交换能量或质量。系统的边界将其与周围环境隔离开来。

什么是热力学中的开放系统？

在开放系统中，系统与其周围环境之间会发生质量和能量的转移。这意味着能量或质量可以离开或进入系统。例如，游泳池是一个开放系统，因为水可以进出。

什么是热力学中的封闭系统？

在封闭系统中，仅发生能量转移； 质量的转移不会发生。例如，一个封闭的圆筒。它可以被加热或冷却，并且不会失去质量。但是如果打开圆筒，它将像一个开放系统一样运行。

什么是热力学中的孤立系统？

在孤立系统中，既不发生能量交换，也不发生质量交换 与外部环境。例如，保温瓶中的热茶或绝缘容器是一个孤立系统，因为既没有能量也没有质量与周围环境交换。

符号约定

• 当向系统提供热量或系统获得热量，并且系统做功时，则 ΔQ 和 ΔW 均为 +。
• 当系统损失热量并且系统做功时，则 ΔQ 为负，而 ΔW 为正。
• 当对系统做功且系统获得热量时，则 ΔQ 为正，而 ΔW 为负。
• 当对系统做功且系统损失热量时，则 ΔQ 和 ΔW 均为负。

热力学第一定律的局限性

• 它没有显示发生变化的方向。例如，当我们踩刹车停止汽车时，对抗摩擦所做的功会转化为热量。但是，当它冷却或失去热量时，汽车不会按照其热能守恒的原理移动。这意味着储存的热量未用于启动汽车。那么，热量去哪里了？
• 水从山顶流下，势能转化为动能，但是，这种自然过程的逆过程在自然界中并没有出现。
• 当房间通过电流通过电阻器加热时，热量从房间转移到电阻器不会产生电能。

热力学第一定律的应用

1. 等温过程

内能取决于温度。如果温度恒定，则内能不会发生变化。例如，在等温过程中，温度保持恒定，因此吸收或提供给系统的热能完全用于对周围环境做功。

dQ = dU + dW

由于 dU =0

dQ = dW

2. 熔化过程

当固体熔化并变为液体时。它的内能增加了。

系统吸收的热量 = dQ

体积变化接近于零，因此 dV = 0，因此 dW= 0

dQ = dU + dW

dW = 0

因此 dQ = dU

这表明，提供的热量等于系统内能的增加。

3. 绝热过程

在绝热过程中，不发生热交换，因此 dQ = 0

现在，根据热力学第一定律；

dQ = dU + dW

- d U = dW

因此，系统对周围环境所做的功是通过使用系统的内能来实现的。

或

-dW = dU

因此，内能的增加是由于周围环境对系统所做的功所致。

4. 等压过程

在等压过程中，压力保持不变，因此压力变化 (dP) = 0

因此，系统所做的功 = W = - P dV

现在，根据热力学第一定律。

dQ = dU - dW

dU = dQ + dW

系统的内能增加是由于从周围环境吸收的热量，如果内能减少，则将是由于热量从系统转移到周围环境。