11.2.2 热力学中的内能

11.2.2 热力学中的内能

10.4节中从微观上阐述了内能的概念。从宏观上或用热力学的术语来说什么是内能呢?下面我们通过系统在绝热过程中做功来确定内能的概念。

如果系统在状态变化中与外界没有任何热交换,这个过程称为绝热过程。在绝热过程中所做的功称为绝热功。

可以设计如下的实验:将系统(包括水及浸在其中的叶轮和电阻丝)放置在绝热包壳内,通过不同的方法给系统做绝热功。例如,做机械功(搅拌),做电功(通电流),使系统的状态从平衡态1变化到平衡态2。

实验结果是:在绝热情况下各种不同的做功过程中,当系统的状态从确定的初始平衡态1变化到确定的最终平衡态2时,实验测得的功的数值都相同。即绝热功的数值与实施绝热过程的途径无关,只由初、末两态决定。这意味着系统本身能量的变化是一定的。

此结论与我们所熟悉的“保守力做功与路径无关”的情形十分类似。也就是说,既然系统能量的改变量只与初态和末态有关,那么系统的能量就只应由系统的状态所决定。于是我们引进一个系统的态函数的变化来量度系统本身能量的变化,这个态函数称为内能,用E来表示。用热力学的术语来说就是:处于一定状态的系统,具有一定的能量,叫作系统的内能;或者说,内能是系统状态的单值函数。

所以内能定义如下:任何一个热力学系统都存在一个称为内能的态函数,当这个系统从平衡态1经过一绝热过程到另一平衡态2,它的内能的增加等于过程中外界对它所做的功:A a的下标“a”表示绝热过程。

内能定义式(11.3)只定义了系统在两个态的内能差。如果任选某状态为参考态,并规定其内能的值(例如,规定为零),则对任何其他态的内能就都有确定的值。