热力学第一定律

互联网2013-11-14

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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。