熱力學第一定律

熱力學第一定律（英語：First Law of Thermodynamics）是熱力學的四條基本定律之一，能量守恆定律對非孤立系統的擴展。此時能量可以以功W或熱量Q的形式傳入或傳出系統。即：

$\qquad \mathrm {\Delta } E_{\rm {int}}=Q-W$

式中$\Delta E_{\rm {int}}$為系統內能的變化量，若系統對外界作正功，則$W$為正，反之則為負。

寫成微分形式為：

$\qquad \mathrm {d} E_{\rm {int}}=\delta Q-\delta W$

闡述方式

1. 系統內能的變化等於其吸收的熱量減去系統對外界所作的功。
2. 系統在絕熱狀態時，功只取決於系統初始狀態和結束狀態的能量，和過程無關。
3. 孤立系統的能量永遠守恆。
4. 系統經過絕熱循環，其所做的功為零，因此第一類永動機是不可能的（即不消耗能量作功的機械）。
5. 兩個系統交互作用時，功具有唯一的數值，可以為正、負或零。

熱力學第一定律功率平衡方程式

$\qquad {dE_{\mathrm {sys} } \over dt}=\sum _{i}{\dot {Q_{\mathrm {i} }}}+\sum _{j}{\dot {W_{\mathrm {j} }}}+\sum _{e}{\dot {m_{\mathrm {e} }}}\cdot \left(h_{\mathrm {e} }+g\cdot z_{\mathrm {e} }+{1 \over 2}c_{\mathrm {e} }^{2}\right)-\sum _{a}{\dot {m_{\mathrm {a} }}}\cdot \left(h_{\mathrm {a} }+g\cdot z_{\mathrm {a} }+{1 \over 2}c_{\mathrm {a} }^{2}\right)$

這裡：

• $\qquad {dE_{\mathrm {sys} } \over dt}$系統隨時間的變化量。
• $\qquad {\dot {Q_{\mathrm {i} }}}$通過系統邊界的熱量。
• $\qquad {\dot {W_{\mathrm {j} }}}$通過系統邊界的功。
• $\qquad {\dot {m_{\mathrm {e} }}}$流入系統內部的質量流。
• $\qquad {\dot {m_{\mathrm {a} }}}$流到系統外部的質量流。
• $\qquad h$ 比焓。
• $\qquad g\cdot z$質量流所具有的位能。
• $\qquad {1 \over 2}c^{2}$質量流所具有的動能。

特例以及簡化形式：

• 封閉系統：$\qquad \sum _{e}{\dot {m_{\mathrm {e} }}}\cdot \left(h_{\mathrm {e} }+g\cdot z_{\mathrm {e} }+{1 \over 2}c_{\mathrm {e} }^{2}\right)-\sum _{a}{\dot {m_{\mathrm {a} }}}\cdot \left(h_{\mathrm {a} }+g\cdot z_{\mathrm {a} }+{1 \over 2}c_{\mathrm {a} }^{2}\right)=0$
• 穩定系統：$\qquad {dE_{\mathrm {sys} } \over dt}=0$
• 絕熱系統：$\qquad \sum _{i}{\dot {Q_{\mathrm {i} }}}=0$

參閱

• 熱力學
• 熱力學第零定律
• 熱力學第二定律
• 熱力學第三定律
• 不可逆性
• 卡諾定理
• 熵
• 餘熵
• 基態
• 熱寂
• 絕熱過程

參考資料

• 物理學基礎 ISBN 7-111-15715-X（課）page470