热力学能及第一定律的表达

2023-11-23 理论教育版权反馈

【摘要】：热力学第一定律就是普遍的能量守恒与转化原理在热力学系统中的具体形式。这只能认为系统中确实存在着其自身固有的一个内部性质，它是状态函数，称之为热力学能，又称为内能，用符号U表示。因此热力学第一定律也可表达为：第一类永动机是不可能造成的。这种机器违反了能量守恒定律，因此是不可能造成的。

热力学第一定律就是普遍的能量守恒与转化原理在热力学系统中的具体形式。

对于任何一个不做整体运动的封闭系统，从平衡态A变化到平衡态B可以有无穷多个过程来实现，如图2—3中的Ⅰ、 Ⅱ ......过程不同，系统吸收的热量及环境对其所做的功也将不同。但是实验发现，只要系统的始态A和终态B是确定的，则对于各种从A到B的不同的过程，虽然Q和W各不相同，可是Q+W的值却总是常数。这个事实充分表明，Q+W的值只由系统的始终态决定，而与变化的途径无关。这只能认为系统中确实存在着其自身固有的一个内部性质，它是状态函数，称之为热力学能，又称为内能，用符号U表示。

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图2—3 封闭体系的热力学能

由于热力学系统是由大量运动着的微观粒子（分子、原子、离子等）所组成的，所以系统的热力学能从微观上可以认为是系统内粒子运动的平动能、转动能、振动能、电子及核的能量，以及粒子与粒子相互作用的势能等能量的总和，不包括系统整体运动的动能以及系统在外界力场中的势能。

据此得出，封闭系统的热力学第一定律可以表述为：任何一个不做整体运动的封闭系统，在平衡态都存在一个单值的状态函数U，叫做热力学能；它是广度量，具有加和性。

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对于无限小的状态变化，则有：(www.chuimin.cn)

热力学第一定律的实质是能量守恒，即封闭系统中的热力学能，不会凭空产生或消失，只能以不同的形式等量的相互转化。因此热力学第一定律也可表达为：第一类永动机是不可能造成的。所谓第一类永动机（Perpetual engine of the first kind），指的是无需提供任何能量就可以不断对外做功的假想机器。这种机器违反了能量守恒定律，因此是不可能造成的。

例2—4试根据热力学第一定律的数学表达式（2—11），导出下列条件下的特殊形式：（ⅰ）隔离系统的任何过程；（ⅱ）循环过程；（ⅲ）绝热过程。

解：（ⅰ）对于隔离系统的任何过程，因为有Q=0， W=0；所以由式（2—11）可以得到：ΔU=0，即隔离系统的热力学能是守恒的；

（ⅱ）循环过程中，由于ΔU=0，所以由式（2—11）可以得到：Q= -W；

（ⅲ）绝热过程，因Qa=0，所以由式（2—11）得到：ΔU=W。

热力学能及第一定律的表达

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