视频字幕
热力学第一定律是能量守恒定律在热力学系统中的具体表述。它描述了系统内能的变化等于传入系统的热量加上对系统所做的功。这里我们定义内能变化为ΔE_int,Q表示传入系统的热量,W表示对系统做的功。
在热力学中,功的定义有两种约定方式。W_ON表示对气体做的功,当外界压缩气体时为正值。W_BY表示气体对外做的功,当气体膨胀对外做功时为正值。这两种定义互为相反数,即W_ON等于负的W_BY。相应地,热力学第一定律也有两种等价的表述形式。
在活塞-气缸系统中,我们分析准静态过程。活塞缓慢移动,使气体始终保持平衡态。气体对活塞的向上压力等于压强乘以面积。当活塞向下移动微小距离dy时,对气体做的微小功为dW等于负的压强乘以面积乘以dy,也就是负的压强乘以体积变化量dV。这里要注意dV可能为负值。
从微分形式dW等于负PdV,我们可以通过积分得到总功的表达式。总功W等于负的从初始体积Vi到最终体积Vf的压强对体积的积分。这个积分的几何意义就是P-V图中曲线下方的面积。需要注意的是,压强P通常是体积V的函数,而且功的大小与具体的过程路径有关。
热力学第一定律有两种完全等价的表述形式。第一种形式强调对系统做功为正,第二种形式强调系统对外做功为正。两种表述都体现了能量守恒定律:系统内能的变化等于传入的热量加上对系统做的功。通过数值验证可以看出,无论采用哪种表述,结果都是一致的。这个定律是热力学的基础,描述了能量在热力学过程中的守恒性质。