热力学第一定律的应用
能量和物质一样，总是守恒的，这意味着它不能被创造或毁灭，但它可以从一种形式转换为另一种形式。内能是系统的热力学属性，是指与系统分子相关的能量，包括动能和势能。每当一个系统由于热、功和内能的相互作用而发生变化时，随之而来的是一系列的能量转移和转换。然而，在这些交易中，总能量没有净变化。同样，热力学基本定律证实热是一种能量。这意味着热力学过程以能量守恒的概念为指导。热力学第一定律通常被称为能量守恒定律。
热力学第一定律
处于平衡状态的热力学系统具有称为内能 (E) 的状态变量。两个系统之间的内能差等于传入系统的热量与系统所做的功之间的差。根据热力学第一定律，宇宙的能量保持不变。它可以在系统和环境之间进行交换，但不能生成或销毁。该定律主要关注由功和热传递引起的能量状态变化。它重新构想了能量守恒的概念。
Heat is a kind of energy, according to the First Law of Thermodynamics, hence thermodynamic processes are governed by the concept of energy conservation. As a result, neither heat nor cold energy can be created or destroyed. It may, however, be moved from one region to another and changed into and out of other types of energy.
热力学第一定律的方程为：
ΔU = q + W
式中： ΔU为系统内能的变化量， q为系统与周围环境之间传热的代数和， W为系统与周围环境的功相互作用。
- 在孤立系统中，能量 (E) 始终是恒定的。
- 内能是系统属性和点函数。内能是广义的（与质量相关的）特性，而比能是狭义的（与质量无关的）属性（与质量无关）。
- 理想气体的内能只是温度的函数。
Significance of First Law of Thermodynamics: The first law of thermodynamics is founded on the idea of energy conservation. This indicates that energy cannot be generated or destroyed, but it can shift into different forms with no loss of energy. When a system transitions from one state to another, both dQ and dW are affected by the nature of the process. dU, on the other hand, is the same for all operations.
热力学第一定律的局限性
- 根据法律，当一个系统经历热力学过程时，它必须始终保持精确的能量平衡。另一方面，第一定律未能提供系统所经历的过程或状态变化的可行性。
- 例如，第一定律不能解释为什么当金属棒的一端被加热而另一端不被加热时，热量会从热端转移到冷端，反之亦然。
- 第一定律仅量化了在此过程中传递的能量。热力学第二定律作为各种过程可行性的基准。
封闭系统的热力学第一定律
在封闭系统中所做的功是施加的压力和由施加的压力引起的体积变化的产物。
W = - P ΔV
其中P是系统上的恒定外部压力， ΔV是系统体积的变化。这具体称为压力-体积功。
系统的内部能量响应于跨越其极限发生的工作接触而上升或下降。系统做功时内能增加，系统做功时内能减少。系统与周围环境发生的任何热相互作用都会改变系统的内部能量。然而，由于能量是恒定的（如热力学第一定律所述），内能的总变化总是为零。如果系统失去能量，它会被环境吸收。当能量被系统吸收时，意味着能量被环境释放：
ΔU系统= -ΔU环境
式中ΔU system是系统总内能的变化， ΔU周围环境是周围总能量的变化。
热力学第一定律的应用
- 等温过程：理想气体的温度在等温过程中保持恒定。这意味着提供给系统的热量被用来对环境做功。所以，
dQ = dU + dW
⇒ dQ = dW
- 熔化过程：当固体熔化为液体时，其内能增加。设 m = 液体的质量，L = 固体的潜热。系统吸收的热量，dQ = mL。
发生少量膨胀，即ΔV = 0
⇒ dW = PΔV = 0
所以，
dQ = dU + dW
⇒ dU = 毫升
因此，在熔化过程中内能增加。
- 热机：
热机是第一定律最常见的实际应用。热能通过热机转化为机械能，反之亦然。绝大多数热机是开放系统。热机的基本思想是利用工作流体的热量、体积和压力之间的相关性。这种流体通常是气体，然而，在某些情况下，它可能在一个循环期间从气体转变为液体并返回气体。
当气体被加热时，它会膨胀；然而，当相同的气体被限制时，它的压力会上升。如果密闭室的底壁是移动活塞的顶部，则该压力会在活塞表面施加一个力，使其向下移动。然后可以使用该运动来提供等于施加到活塞顶部的总力乘以活塞行进的距离的功。
冰箱、空调和热泵
冰箱和热泵是将机械能转化为热能的机械能转换器。其中大部分被归类为封闭系统。当气体被压缩时，它的温度会升高。然后，这种热气体可以将热量辐射到其周围环境中。当压缩气体被允许膨胀时，它的温度下降到低于压缩前的温度，因为它的一些热能在热循环期间被带走了。之后，冷气体可以从周围吸收热能。这就是空调的工作原理。空调不会产生冷气；相反，它们会带走热量。机械泵将工作流体输送到外部，在那里被压缩和加热。然后将热量传递到外部环境，通常是通过风冷式热交换器。然后它被输送到室内膨胀和冷却，然后通过另一个热交换器从内部空气中吸收热量。
热泵基本上是一种逆循环空调。压缩工作流体的热量用于加热建筑物。然后将其移至室外，在那里膨胀和冷却，从而吸收外界空气中的热量，即使在冬天，室外空气通常也比寒冷的工作流体更温暖。
示例问题
问题 1：元素在标准状态下最稳定形式的形成焓是多少？
回答：
The enthalpy of formation of an element’s most stable form in its standard state is zero.
问题 2：州赫斯定律。
回答：
According to Hess’s law, the change in enthalpy of a reaction remains constant whether the reaction is carried out in one step or numerous steps.
问题 3：定义热力学第一定律。
回答：
Energy cannot be created or destroyed, according to the first law of thermodynamics. The energy of an isolated system remains constant.
问题 4：许多热力学上可行的反应在普通条件下不会发生。为什么？
回答：
The average energy of the reactants may be less than the threshold energy under normal conditions. To start the reaction, they need some activation energy.
问题 5：为什么热力学第一定律对环境很重要？
回答：
All living species on Earth rely solely on the sun for energy. These energies received by plants are not returned to the solar system, but are instead passed on to herbivores that eat green vegetation. When herbivores die, some of the energy acquired by them is used by carnivores or transmitted to decomposers.