热力学第一定律及永动机的不可能性

2023-06-19 理论教育版权反馈

【摘要】：热力学第一定律主要研究做功和热传递怎样使系统的内能发生变化，及等容、等压、等温和绝热过程中功、热和系统内能的增量之间的关系，并阐明了“功变为热”和“热变为功”的意义。我们对这一状态随时间变化的过程就称为热力学过程，简称过程。因此，热力学第一定律指出：任何少耗能量多做功，甚至不耗能量做净功的企图都是不能实现的。因而热力学第一定律也就常被写成：第一类永动机是不可能制成的。

热力学第一定律主要研究做功和热传递怎样使系统的内能发生变化，及等容、等压、等温和绝热过程中功、热和系统内能的增量之间的关系，并阐明了“功变为热”和“热变为功”的意义。

1.热力学过程、功和热

（1）热力学过程

在热力学中，若某一系统所处的平衡态受到外界影响被打破后，在新的外界条件下，经过一定时间又能达到新的平衡态。我们对这一状态随时间变化的过程就称为热力学过程，简称过程。而由一个平衡态遭到破坏到一个邻近的新的平衡态的建立所需时间叫弛豫时间。

在热力学过程中，如果过程进行得较快，不到所需的弛豫时间而外界条件又变了，则新的平衡态就一直建立不起来，这样的过程就叫做非静态过程。在热力学过程中，主要研究过程进行得很慢，使得一个平衡态遭到破坏后，有足够的时间（即大于弛豫时间）来建立起另一个平衡态。有关热力学过程中的更多知识可参考相关的普通物理学书籍，这里只做些简要介绍。

（2）准静态过程的功

在热力学过程中，准静态过程是一个理想过程的模型，它主要表述为：系统在过程中由初平衡态经历一系列中间平衡态，再变到终平衡态，可以看做在每一时刻系统都处于平衡态。在准静态过程中，外界对系统做功或系统对外界做功时，系统体积总会发生变化。若外界对系统做功，则系统的体积变小；而系统对外界做功时，则系统的体积变大。当气体向真空自由膨胀时，因外界无压强作用于系统，即外界对系统不做功，系统对外界也不做功。功不是系统状态的特征量，而是过程的特征量。只给定初态和终态，并不能确定过程的功，因为经过不同过程的功的数值不同。有关气体体积变化时的功计算，可参见普通物理学中的相关内容。这里就不再多述。

（3）热量

在热力学过程中，一系统处于平衡状态，外界对其做功，并经历一个准静态过程而达到另一平衡态时，系统的温度必有变化。焦耳的工作证实了一定量的功在使一系统的平衡态发生确定的变化上所起的作用是和一定的热量相当的。如果系统的状态变化不是由于机械功或电磁功的作用，则引起变化的物理量就是热，或称做热量。

2.状态函数内能、热力学第一定律

（1）状态函数内能

焦耳做过的大量实验表明：在各种不同的绝热过程中（即系统没有和外界进行热传递的过程），不论采用何种做功方式，使系统从一平衡态改变到另一平衡态时所用功的数值都相同。这就是说，在绝热过程中，系统做功只决定于初态与终态而与具体过程的选择无关。其中，每一状态都存在一个由状态本身决定的物理量，即属于系统的状态函数。这种状态函数就叫做系统的内能。

（2）热力学第一定律

热力学第一定律是迈耶在1842年提出来的，它的主要内容是：物质系统内能的增量等于外界对它所做的功与外界向它传递的热量之和。它是能量转化和能量守恒定律的基础，也是能量转化和能量守恒定律对于包括内能、功和热在内的过程的特殊形式。若要系统做功，总有吸热或放热。因此，热力学第一定律指出：任何少耗能量多做功，甚至不耗能量做净功的企图都是不能实现的。因而热力学第一定律也就常被写成：第一类永动机是不可能制成的。

3.热容、焓

（1）热容、定容热容和定压热容

在热力学系统的一定过程中，当物体的温度升高1K时所吸收的热称为这个物体在该给定过程中的热容。在这一过程中，若物体的体积不变，则所得热容为定容热容；若这一过程为等压过程，则所得热容为定压热容。在定容过程中，系统所吸收的热等于系统内能的增量。有关定容热容和定压热容的计算可参见普通物理学的相关内容，这里就不予多述。在等压过程中，系统的状态函数称为焓，此时系统所吸收的热等于系统焓的增量。

（2）焓

在热力学系统中，热能是物质分子所具有的动能与位能的总和。它在不同状态下，其能量也不同。1kg的物质在某一状态时，所含的热量称为该物质的比焓。符号为h，单位为J/kg。

焓的物理意义是指以特定温度作为起点的物质所含的热量，如0℃的R12和R134a液态制冷剂的比焓为200kJ/kg，但它随制冷剂的状态、温度和压力等状态函数的变化而变化。当对制冷剂加热或做功时，焓就增大，反之，制冷剂被冷却或蒸气膨胀向外做功时，焓就减小。因此，焓可以转化成热力学计算。有关计算可参见普通物理学的相关内容，这里就不予多述。

热力学第一定律及永动机的不可能性

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