大学物理教程：热力学第一定律的重要性

1.准静态过程

在热力学中，我们把研究的宏观物体（如气体、液体、固体、化学电池、电介质、磁介质等）叫作热力学系统，简称系统，也称工作物质，而把与热力学系统相互作用的环境称为外界。限于本课程的要求，我们将主要以理想气体作为热力学系统。

设系统从某一平衡态开始变化，状态的变化必然会破坏平衡，原来的平衡态被破坏，需要经过一段时间才能达到新的平衡态，如果过程进行得较快，系统在还未达到新的平衡之前又继续了下一步的变化，这种过程叫非静态过程。但是如果系统在始末两平衡态之间所经历的过程是无限缓慢的，以致使系统所经历的每一个中间态都可以近似地看成是平衡态，那么系统的这个状态变化过程称为准静态过程。显然，实际过程多为非静态过程，准静态过程是一种进行得无限缓慢的理想过程，是实际过程的抽象。不过，准静态过程的提出可以大大简化研究问题的难度，而且大多数实际过程近似地当作准静态过程处理并不会产生过大的偏差，因此这种理想模型得到广泛应用。本章以后讨论的各种过程，除非特别说明，一般都是指准静态过程。

对于一定量的气体，状态参量p、V、T中只有两个是独立的，所以，给定两个参量的数值，就确定了一个平衡态。因此，p-V图上任何一点都对应着一个平衡态。而图中任何一条线都表示一个准静态过程。图9-1中的曲线就表示某一准静态过程，曲线上的每一点都对应一个平衡态。

图9-1　准静态过程

2.功

现在讨论系统在准静态过程中，由于其体积变化所做的功。如图9-2（a）所示，在一有活塞的气缸内盛有一定量的气体，气体的压强为p，活塞的面积为S，则作用在活塞上的力为F=pS。当系统经历一微小的准静态过程使活塞移动一微小段距离Δl时，气体所做的功为

图9-2　气体膨胀做功的计算

其中ΔV为气体体积的变化量。功ΔW可用图9-2（b）中画有阴影的矩形小面积来表示。当气体的体积有无限小变化dV时，气体所做的功为dW=pdV。故气体由状态A变化到状态B的准静态过程中所做的功用积分式表示为

它等于p-V图上实线与横轴围成的面积。所以气体所做的功等于p-V图上过程曲线下面的面积。当气体膨胀时，它对外界（简称对外）做正功；当气体被压缩时，它对外界做负功。如果气体从状态A变化到状态B经历另一个路径，则气体所做的功应该是该虚线下面的面积。状态变化过程不同，系统所做的功也就不同。总之，系统所做的功不仅与系统的始末状态有关，而且还与路径有关，所以说功不是状态的函数，功是一个过程量。(www.xing528.com)

3.热量

除了做功，通过热传递的方式也能使系统能量和状态发生变化。如两个温度不同的物体相接触时，温度较高的物体的温度会下降，温度较低的物体的温度会上升，最后两物体达到相同的温度。这种由于温差引起系统状态变化的过程叫作热传递过程。于是，人们引进热量的概念，认为在热传递过程中有热量从高温物体传给低温物体。我们把系统与外界之间由于存在温度差而传递的能量叫热量，用符号Q表示。热传递过程中，当外界温度升高时，外界向系统放热，当外界温度降低时，从系统吸热。

在国际单位制中，热量与功的单位相同，均为J（焦耳）。历史上热量还有一个单位叫卡（cal），根据焦耳的热功当量实验得出

热量与功一样，也是一个过程量。因此，我们不能说“系统的热量是多少”或“处于某一状态的系统具有多少热量”，而只能说“在某一过程中传给系统多少热量”或“在某一过程中系统吸收或放出多少热量”。

4.热力学第一定律　内能

在热力学中人们把系统处于某种状态而具有的能量，称为系统的内能。系统做功或传递热量都能使系统的状态发生改变，因此内能也随之改变。那么，系统内能的改变与做功和热传递直接有什么关系呢？在焦耳实验的基础上，人们找到了系统内能改变的规律：系统从外界吸收的热量，一部分用于系统对外做功，另一部分用来增加系统的内能，这就是热力学第一定律。其数学表达式为

为便于应用式（9-2）需作如下规定：Q＞0表示系统从外界吸收热量，Q＜0表示系统向外界放出热量；W＞0表示系统对外界做正功，W＜0表示系统对外界做负功，即外界对系统做功；ΔE＞0表示系统内能增加，ΔE＜0表示系统内能减少。

如果系统经历一微小变化，即所谓的微过程，则热力学第一定律为

热力学第一定律是包括热现象在内的能量守恒与转化定律。由热力学第一定律可得W=Q-ΔE，这表明系统要对外界做功，必须从外界吸热或消耗系统的内能，不消耗任何能量对外界做功是不可能的。历史上曾经有许多人都企图造出一种既不消耗系统的内能，又不需要外界向它传递热量，即不消耗任何能量而能不断地对外界做功，这种机器叫作第一类永动机。尽管人们提出了种种方案，许多人还付出了巨大的努力，但制造这种永动机均以失败而告终。这一事实从反面证实了热力学第一定律的正确性。因此，热力学第一定律也可以表述为：第一类永动机是不可能实现的。