热力学第一定律
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在研究热力学问题时,需首先确定研究的对象,即所谓体系。体系的外界称为环境。体系的确定是根据研究的需要人为划分的。为了研究方便,通常把化学反应中所有的反应物和生成物当作为体系。当着眼于体系与环境之间的能量和物质的交换情况时,可将体系分成三种:与环境之间既有物质交换又有能量交换的体系叫敞开体系;与环境之间无物质交换而有能量交换的体系叫封闭体系;与环境之间既无物质交换又无能量交换的体系叫孤立体系。由于通常把反应中所有反应物和生成物选作为体系,因此化学反应是封闭体系。体系与环境之间可以有能量交换也可以没有能量交换,但是,大量的事实说明宇宙间的总能量是守恒的,即能量既不创生也不能消灭,这就是能量守恒定律。
对于一个封闭体系,体系的热力学能为 U 1 ,体系从环境吸收了热量 Q ,同时体系又对环境做功 W ,这时体系的热力学能变为 U 2 。根据能量守恒得到
U 1 Q-W=U 2
U 2 -U 1 =Q-W
即 Δ U= Q-W
这就是热力学第一定律。因此,热力学第一定律就是能量守恒定律在热力学上的具体体现。我们规定体系吸收热量 Q 为正值,体系放出热量 Q 为负值;体系对环境做功 W 为正值,环境对体系做功 W 为负值。体系热力学能增加Δ U 为正值,体系热力学能减少Δ U 为负值。
体系热力学能 U 是状态函数。就是说,体系的状态确定了,体系的热力学能也就确定了。即体系热力学能变化 ( Δ U) 只取决于体系的终了状态与起始状态,与体系从始态变到终态的历程无关。
功和热是非状态函数。我们不能说体系具有多少功或多少热,只能说体系与环境交换了多少功和热。交换的功和热的大小不仅与体系的始末状态有关,还与体系从始态变化到终态的历程有关。所以功和热也叫过程函数。