热力学第一定律与能量守恒

热力学第一定律将能量守恒定律扩展到热力学过程，将热量和功视为改变系统内能的可互换方式。

Definition

热力学第一定律指出，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，这表达了当热量作为一种能量传递形式时能量的守恒。

Scope

本主题涵盖热力学第一定律的表述、内能作为状态函数、热量和功的路径依赖性、全微分和非全微分，以及公式dU = dQ - dW的推导。内容还包括其在焓、热容以及等温、绝热和等容过程等热力学过程分析中的应用。

Core questions

• 为什么内能是状态函数，而热量和功不是？
• 热功当量是如何在热力学和力学领域之间建立能量守恒的？
• 热量和功如何结合以确定沿不同过程路径的能量变化？
• 焓与内能有何区别？何时使用它们更为恰当？

Key concepts

• 内能作为状态函数
• 热量和功作为路径依赖的传递形式
• 全微分与非全微分
• 焓和热容
• 绝热、等温和等容过程

Clinical relevance

热力学第一定律是发动机、量热学、化学反应焓以及代谢能量平衡中能量核算的基础，为所有涉及热量和功交换的过程提供了基本原理。

History

热力学第一定律在19世纪40年代逐渐形成，当时迈尔和焦耳独立地确立了热功当量，而亥姆霍兹则提出了能量普遍守恒的观点，从而统一了力学、热学和其他形式的能量。

Key figures

• James Prescott Joule
• Julius Robert von Mayer
• Hermann von Helmholtz

Seminal works

• joule1850
• callen1985

Frequently asked questions

为什么热量和功要用非全微分来表示？

因为交换的热量和所做的功取决于系统在两个状态之间所经历的路径，而不仅仅是起点和终点，而内能仅取决于状态；非全微分的符号表示了这种路径依赖性。