引入

为什么压缩打气筒会发热,而气体自由膨胀却不升温?

为什么等温过程中气体内能不变,却仍然要吸热?

为什么物理和化学的第一定律公式符号不一样,却能算出同一个结果?

热力学第一定律就是把“能量守恒”这四个字写成一个可以计算的式子。它不复杂,但每一项的正负号和“状态量还是过程量”的判断,几乎决定了所有热力学题的对错。

正文

定义

热力学第一定律是能量守恒在热力学系统中的表述: 系统内能的变化,等于系统吸收的热量减去系统对外做的功。

各项含义

符号含义正负约定
内能变化增加为正
系统吸收的热量吸热为正,放热为负
系统对外做的功对外做功为正,外界做功为负

物理和化学的符号约定不同。化学中常写成 ,此时 是外界对系统做的功。两种写法算出的 相同,但代入数值时符号不能混用。

内能是状态函数

内能 是系统所有微观粒子动能和势能的总和。它只取决于系统的当前状态,与到达该状态的路径无关。

而 和 都不是状态函数,它们依赖具体过程。同一个初末状态,走不同路径, 和 可以不同,但 一定相同。

量类型是否依赖路径
状态函数的变化否
过程量是
过程量是

这个区别解释了一个常见困惑:为什么有些过程算不出 ,却能算出 。因为 只要知道初末状态就够了。

四种等值过程

过程条件
等体
等压随温度变化
等温(理想气体)
绝热随温度变化

四种过程对应四种典型装置:

过程典型装置
等体密闭钢瓶加热
等压活塞自由移动的气缸
等温缓慢压缩、与恒温槽接触
绝热保温瓶、快速压缩

为什么等温过程

理想气体分子间无相互作用,内能只包含动能,而动能只与温度有关。温度不变,内能不变。

这个结论依赖理想气体状态方程的假设。真实气体的内能还与体积有关,等温膨胀时内能会变化。

绝热过程

时:

情形温度
绝热膨胀正(对外做功)负降低
绝热压缩负(外界做功)正升高

柴油机正是利用绝热压缩使温度升高到着火点,不需要火花塞。打气筒发热也是同一原理。

化学中的第一定律

等压条件下,反应热等于焓变:

反应热的计算(盖斯定律)本质上是利用焓是状态函数这一性质:反应热只取决于始态和终态,与路径无关,所以可以沿任意中间步骤叠加。

引出

第一定律只管能量守恒,不能判断过程的方向。判断方向需要热力学第二定律和熵。

对于理想气体,等温过程中 的前提是内能只与温度有关,这依赖理想气体状态方程的假设。

为什么绝热过程的 - 曲线比等温过程更陡?