11.2.3 热量 热力学第一定律
通过传热改变系统状态的例子很多,例如,把一壶冷水放到火炉上,冷水的温度就会逐渐升高,从而改变了系统的状态。这种改变系统状态的方式叫作传热,它是以系统和外界的温度不同为条件的。如果在焦耳实验装置中,将容器底壁换成导热材料,仅仅通过加热,同样可以使系统状态由状态1变到状态2。由于内能是系统状态的单值函数,因而内能也发生相应的改变,所以传热是传递能量的一种方式。
为了量度被传递的能量,我们引入热量的概念。所谓热量就是在不做功的过程中系统内能变化的量度。如果以Q表示系统内状态1经过不做功的过程变到状态2所吸收的能量,则有
Q=E 2-E 1 (A=0)
由此定义的热量单位与功和能量的单位完全相同,按国际单位制都是焦耳(J),辅助单位是卡(cal),1 cal=4.185 5 J。
通常规定:Q＞0,表示系统从外界吸热;Q＜0,表示系统向外界放热。
一般情况下,系统状态的改变往往是做功和传热的共同结果。设在某一过程中,系统从外界吸收热量Q,外界对系统做功A′,系统内能由初始平衡态E 1变为终了平衡态E 2。由能量守恒应有
Q+A′=E 2-E 1
其中A′=-A,A是系统对外做的功。又ΔE=E 2-E 1,故
即系统从外界吸收的热量等于系统内能的增量和系统对外做功之和,这一涉及物体内能、包括热量在内的能量守恒和转换定律,叫作热力学第一定律。
对于一个无限小的过程
这里,由于内能是态函数,所以d E表示内能的无穷小增量。实验证明,热量也与过程有关,故用d Q表示在无限小过程中的无穷小增量,不表示态函数的无穷小增量。正如说“系统处于某一状态具有多少功”的说法是错误的一样,说“系统在某一状态时具有多少热量”的说法也是错误的。
热力学第一定律表达了内能、热量和功三者间的数量关系,是能量守恒定律在热学中的具体表现,它适用于任何系统的任何过程,不管是准静态与否,只要求初态1和终态2是平衡态。(https://www.daowen.com)
历史上曾有不少人企图制造一种往复动作的机器,它不需要外界提供热量或别的动力,却能不断地做功,这种机器由于违背了热力学第一定律,是根本不能实现的,这种机器叫作第一类永动机。因此,热力学第一定律也可表述为第一类永动机是不可能实现的。
在运用式(11.4)时,符号规定如下:A表示系统对外界做的功,当其为负值时,则表示外界对系统所做的功;Q表示系统自外界吸收的热量,当其为负值时,则表示系统向外界放出的热量;E 2-E 1表示内能的增量,正值表示内能的增加,负值表示内能的减少。
实际上,式(11.4)就是能量守恒定律的最初形式。因为,从微观上来说,它只是涉及分子运动的能量。认识到物质由分子组成而把能量概念扩展到分子的运动,建立内能的概念,从而认识到热的本质,是科学史上一个重要的里程碑,从此打开了通向普遍的能量概念以及普遍的能量守恒定律的大门。
综上所述,功与热量有许多共同点。
(1)它们都是能量传递与转化的量度,且只有在系统发生变化时才有意义。即只有在系统发生变化时,才能说外界对系统做了多少功,传递了多少热量。
(2)它们都是与过程有关的量,不是态函数,它们的微量不能写成全微分。
(3)系统在某一状态下不能说它有多少功,也不能说它含有多少热量。
功和热量的区别为:做功是与力作用下相应的宏观位移相联系的。做功的过程常伴随着热运动与其他运动形态之间的转化,所以功是在做功过程中传递与转化多少能量的量度。而热传递则是与温度差的存在相联系的,它主要通过分子间的碰撞交换或通过辐射来传递能量。所以,热量是在不做功的传热过程中系统内能变化的量度。传热与做功是能量传递与转化的两种不同的方式。
内能是能量传递的一种形式,是态函数,对一定的状态有确定的值。
热力学第一定律是能量守恒定律在热学领域的具体表达,它包含四个相互关联的主要内容:
(1)内能函数的存在;
(2)热量的定义;
(3)能量守恒定律;
(4)第一类永动机不可能实现。