热物理学

热力学第一定律

热力学第一定律体现系统的能量守恒：内能增量等于吸收的热量加上外界对系统所做的功。

热和功都会通过系统边界传递能量。第一定律按明确的符号约定将二者合并，用以确定内能变化。

特殊情形

绝热过程 $Q=0$，内能由功改变。等容过程中边界不移动，压强—体积功为零，故 $\\Delta U=Q$。完整循环后系统回到初态，$\\Delta U=0$；净吸热等于净输出功。

快速测验

第一定律把能量守恒用于热力学系统，但首先要选定系统和符号约定。采用 $\Delta U=Q+W_{on}$ 时，压缩对应 $W_{on}>0$；气体膨胀推动活塞时，外界对系统做功为负。完整循环后内能回到初值，因此 $\Delta U=0$，尽管热和功各自不一定为零。这意味着系统净吸热等于系统净输出功。等容过程中压强—体积功为零，进入系统的热会改变内能。第一定律不决定过程是否自发发生，也不决定效率上限；那是第二定律的内容。每次计算都应先写出各能量项的符号和单位再求和，并避免混淆气体对外做功与外界对气体做功。

例如，系统吸收 120 J 热量并膨胀，对环境做 45 J 功，则 $\Delta U=120-45=75$ J。写成 $W_{on}=-45$ J 也得到相同结果。这一符号检查说明，膨胀时外界对系统做功不会增加其能量。