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热力学第一定律及其思考摘要：简要介绍热力学第一定律并从微观的角度来阐述热力学第一定律的意义。关键词：热力学第一定律、内能、热量、功正文：热力学第一定律 ：也叫能量不灭原理，就是能量守恒定律。热力学第一定律指出，热能可以从一个物体传递给另一个物体，也可以与机械能或其他能量相互转换，在传递和转换过程中，能量的总值不变。表征热力学系统能量的是内能。通过作功和传热，系统与外界交换能量，使内能有所变化。根据普遍的能量守恒定律，系统由初态经过任意过程到达终态后，内能的增量E应等于在此过程中外界对系统传递的热量Q 和系统对外界作功W之差，即EEEQW或QEW这就是热力学第一定律的表达式。如果除作功、传热外，还有因物质从外界进入系统而带入的能量Z，则应为UQAZ。当然，上述U、A、Q、Z均可正可负。对于无限小过程，热力学第一定律的微分表达式为dQdEdW。因E是态函数，dE是全微分；Q、W是过程量，dQ和dW只表示微小量并非全微分，用符号d以示区别。又因E或dE只涉及初、终态，只要求系统初、终态是平衡态，与中间状态是否平衡态无关。热力学第一定律的另一种表述是：第一类永动机是不可能造成的。这是许多人幻想制造的能不断地作功而无需任何燃料和动力的机器，是能够无中生有、源源不断提供能量的机器。显然，第一类永动机违背能量守恒定律。从宏观上看，功和热量都是过程量，且都是内能改变的量度，它们之间的关系是能量守恒在热力学过程中的体现，我们学生比较容易接受但一般的教材却很少从微观的角度来讨论其意义，所以本文试图从微观的角度来阐述热力学第一定律的意义。将热力学系统看成一理想化的质点组，所谓理想化的质点组就是将分子当作一简单的质点组，于是分子的能量仅有其平动动能。在假定系统不受外力场作用的前提下，系统与外界的相互作用只通过边界上分子间作用来进行。设m为分子的质量， 表示第i个分子相对某惯性系的速度，d表示其位移，分别表示该分子受系统和系统内其它分子的作用力。于是由质点组动能定理得：d() = + -(1)根据柯尼希定理，上式左端可写成：d( ) = d() + d() = dE+dE (2)式中E为以质心为代表的整个系统宏观机械运动的动能；E为构成此系统的所有质点相对于系统质心无规则运动的动能之和。 式(1)中外力做功之和又可分为两部分；一部分是在系统边界每一小区域内，分子在外力作用下发生共同的定向位移或称宏观位移时的功；另一部分是不伴随分子发生宏观定向位移外力的功，此情况分子的位移若称之为微观位移，则(1)式右边第一项可表为： = dA+ dA -（3）式中A和A分别表示在系统外力作用下，分子发生宏观位移和微观位移时外力的功。将(2)式和(3)式代人(1)式，则有：dE+dE = dA+ dA+ dA-（4）dA表示分子在系统内其他分子作用下发生微观位移(不可能有宏观位移)时内力的功。由统计物理知识容易看出：(4)式右端首项为系统外力的元功之和；第二项所表示的这部分外力所做的元功之和，做功过程与分子的宏观定向位移无关，但也是系统与外界交换能量的一种方式此做功过程可理解为外界分子通过边界对内部分子的相互碰撞而传递能量的过程，这种无规则碰撞只能传递无规则运动的能量，显然第二项元功之和即为过程传递的热量数，第三项比照第二项的分析可判断其实际含义即分子间相互作用势能的负值，即 dE=一dA。基于上述分析，(4)式可改写成：dE+ d(E + E) = dA + dQ或者dE+ dU = dA + dQ-(5)上式用到了将分子相对于质心的动能E改写成E的变化，目的是便于问题讨论的简化。(5)式就是无外力场时热力学系统包括内能和机械能的普遍的能量的守恒和转化定律。在涉及到过程中系统的内能和机械能都发生变化或者系统的内能和机械能之间发生转化的问题讨论时，运用(5)式计算是非常方便的。热力学过程未涉及系统机械运动状态的变化或始末机械运动状态相同，所以dE=0或E=0。于是(5)式变为：dU=dA+dQ或者 U=A+Q -(6)即为热力学第一定律常见形式。需要说明的是：E=0不能简单的理解为以质心为代表的系统的动能在过程中一直不变，而应理解为过程的始末、末态动能相等。例如 活塞迅速压缩气体的做功过程，其E变化过程为由0最大0。又如气体的自由膨胀过程，其初始状态E=0，打开活门以后气体的无规则运动能部分地变为定向运动能量，而内能又部分地变为动能E，冲出的气体通过与器壁的碰撞和分子间的碰撞后，这种定向运动能量又全部变为分子无规则运动动能，即变为系统的内能。使得由初态到末态有E=0，U=0，如果过程是准静态的，则dE=0，即每一状态的E都无限接近于初态的零值。以上我们从质点组动能定理导出了(4)式，但(4)式中的各项求和式却只能在组成质点系统(热力学系统)的分子的运动遵守一定的统计规律时才能有确切的热力学含义，因此以上推出的热力学第一定律(5)式及(6)式并非一个单纯的力学结果，而是一个反映热力学规律的公式。式(4)中各量； ； ，是按统计规律求出的求和量，这些量在平衡状态下具有统计平均值的意义，例如：=N ，因而相应的宏观量U、Q、A等也都仅有平均值的意义。以上推导也揭示了内能、热量、功三个概念的微观本质。内能中动能项中的分子速率是分子相对于系统质心作用无规则运动的速度值，当质心速率为0时，则是相对于静止参照系的速率。功A是系统外力对系统内分子做功之和，是宏观功，总是伴随着分子的宏观定向位移，此功可使得外界的非内能能量与系统的内能之问相互转化，热量Q是系统与外界交挽的微观功，它不伴随