什么是内能(通俗解释热力学第一定律内能)

 2022-10-11 08:09:42    35  

老郭今天来为大家介绍一下热力学第一定律。一个热力学系统处于热力学平衡态时,只要没有外界的作用,它的状态变量就不随时间变化。如果外界对系统产生影响,则平衡就会被破坏,从而过渡到另一个平衡态。

什么是内能(通俗解释热力学第一定律内能)

热力学曲线图

在热力学中,如果系统从一个状态变化到另一个状态的过程中,系统吸收的热量为Q,与环境交换的功为W,可得热力学能(亦称内能)的变化为ΔU = Q+ WQ=ΔU-W(目前通用这两种说法,以前一种用的多),为了避免混淆,物理中普遍使用第一种,而化学中通常是说系统对外做功,故会用后一种。

后面这个表达式的表述是:系统吸收的热量等于系统内能的增加及系统对外做功之和,这就是热力学第一定律。这个定律是能量之间的转换和守恒定律,这是一个从经验中总结出来的热力学基本定律。

对于无限小的元过程,热力学第一定律可以写成dQ=dU+dW

什么是内能(通俗解释热力学第一定律内能)

气体在外界压力下压缩

系统的内能是态函数,它只与系统所处的状态有关,而与系统发生变化的过程无关。状态变量确定,则内能确定。我们关心的是系统状态变化前后内能的变化,而不是所在状态的内能的绝对值,这和是能情况类似,功和热量不是态函数,他们是在系统发生变化的过程中发生的。功和热量与具体的过程有关。

热力学第一定律是能量守恒原理的一种表达方式,热力学第一定律是生物,物理化学等学科的重要定律。能量守恒定律的表述是:在一个热力学系统内,能量可转换,即可从一种形式转变成另一种形式,但不能自行产生,也不能毁灭。所以啊,那些想做永动机的小伙伴们,还是洗洗睡吧,不存在能一直对外做功,却不需要消耗任何能量的机械装置。

嘿嘿,热力学第一定律还是比较简单滴,介绍到这竟然写不下去了。再开一个内容《热容量 焓》,没办法,系统考核图文的字数。

什么是内能(通俗解释热力学第一定律内能)

测量比热容的实验原理图

热容量是宏观物体的一个重要的热力学参数,它的定义为:Cx=dQ/dT,其中dQ是物体温度升高dT所需的热量,x代表一个特定的过程(如等压过程、等容过程等等),单位质量物质的热容量称为比热容,如千克比热容和摩尔比热容等。在热力学中,比热容数据只能从实验中得到,而在气体动理论与统计物理中可以从理论上去计算。

国际单位制中的单位是焦耳每千克摄氏度(J /(kg·K) 或 J /(kg·℃),J是指焦耳,K是指热力学温标,与摄氏度℃相等),即令1千克的物质的温度上升(或下降)1摄氏度所需的能量。

我们利用比热容数据可以计算一个过程中物体所吸收的热量。由于热量是过程中的量,所以必须针对具体的过程来计算,可以用这个公式ΔQ=∫CxdT

对于pV体系,等容过程和等压过程的热量计算可以分别用下面的公式来计算

ΔQ=∫CvdTΔQ=∫CpdT

对于等容过程,我们根据前面介绍的热力学第一定律dQ=dU+dW=dU+pdV,由于V是常数,所以dQ=dU,则有Cv=(!@#$)诶我去了,输入法没法输入微分符号,此处略去n个字

对应的我们可以对等压过程也引进一个态函数,并用这个态函数的全微分来表示Cp,(打不出来全微分表达式,还请原谅。此处老郭的内心里,有一万匹草泥马呼啸而过)这个态函数H我们就称为焓,它的定义是H=U+pVdH=dU+pdV+Vdp

一般来说,H是T和p的函数,而U是T和V的函数,所以Cp和Cv分别是T和p的函数与T和V的函数。

本文关于热力学第定律,内能、热容量、比热容和焓就介绍到这里。再次吐槽,由于无法输入微分符号,使得老郭的表述不能更明确。做一下预报,从下一篇开始我们来重点介绍一个新的物理量熵。嘿嘿,总感觉研究熵可能会带来物理学突破性的新理论,哈哈,老郭在这里意淫一下,一不小心成大师了呢?有兴趣的小伙伴,继续跟着老郭一起学习吧。

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