的热力学第一定律
的热力学定律是看似简单,但却影响深远的后果。第一定律断言,如果热量是公认的一种形式能源,那么系统的总能量加周围是守恒的;换句话说,总能量的宇宙保持不变。
第一定律是付诸行动通过考虑跨边界的能量流分离系统的环境。考虑的典型例子气体封装在一个圆柱体活动活塞。气缸的墙壁作为内部边界分离气体从外面的世界,和可移动的活塞的气体提供了一种机制,通过扩大对力量使得活塞工作(假定无摩擦)。如果气体的工作W随着业务拓展,和/或吸收热量问从环境到气缸壁,这对应于一个净能量流W−问跨边界的环境。为了节约的总能量U,必须有一个平衡的变化ΔU=问−W(1)在内部能量的气体。第一定律提供了一种严格的会计制度,改变能源账户(ΔU)=存款的区别(问)和取款(W)。
Δ数量之间有一个重要的区别U和相关的能源数量问和W。自内部能量U特点是完全独特的数量(或参数)确定系统的状态平衡,据说是一个状态函数,这样任何改变能源决定完全由最初的(我)和最后一个(f)系统的状态:ΔU=Uf−U我。然而,问和W态函数。就像气球破裂的例子,里面的气体可能不工作在达到其最终扩张状态,也可以做最大的工作通过扩大与可移动活塞缸内达到相同的最终状态。所有所需的能量(Δ的变化U)保持不变。通过类比,同样的个人银行账户的变化可以通过许多不同的存款和取款的组合。因此,问和W不态函数,因为它们的值取决于特定进程(或路径)连接相同的初始状态和最终状态。就像说话更有意义的平衡在一个比它的存款或取款的银行账户的内容,只有有意义的系统的热力学能说话,而不是它的热量或工作内容。
从正式的数学的观点,增量改变dU内部能量是一个恰当微分(看到微分方程),而相应的增量更改d′问和d′W热量和功不,因为定积分这些数量是路径依赖的。这些概念可以用于很大的优势在热力学的精确的数学公式(见下文热力学性质和关系)。
热引擎
热机是一个典型的例子蒸汽机,尽管所有的现代引擎遵循同样的原则。蒸汽机操作循环的方式,为每个周期活塞上下移动一次。高温高压蒸汽承认每个周期的上半年气缸,然后它被允许在下半年再次逃脱。整体效果是热量问1由燃料燃烧产生蒸汽,将其中的一部分工作,和排气余热问2到环境在一个较低的温度。的净热量能量吸收问=问1−问2。由于引擎返回初始状态,其内部的能量U不会改变(ΔU= 0)。因此,通过热力学第一定律,为每一个完整的周期必须工作W=问1−问2。换句话说,每个完整的工作循环是热的区别问1引擎在高温度和吸收热量问2疲惫的在较低的温度。热力学的力量,这一结论是完全独立于发动机的详细工作机制。它只依赖于整体能量守恒,热量被认为是能量的一种形式。
为了节省燃料,避免和废热污染环境,引擎旨在最大化吸收热量的转换问1成有用的工作,尽量减少废热问2。的卡诺效率发动机(η)被定义为比例W/问1即:的分数问1这是转化成工作。自W=问1−问2,效率也可以表示形式
(2)
如果没有废热,问2= 0和η= 1,对应于100%的效率。同时减少摩擦在一个引擎减少废热,它永远无法消除;因此,有一个限制多小问2可以因此在多大效率。这个限制是一项基本自然法则,热力学第二定律(见下文)。