热量、内能和功
有没有想过热机是如何工作的？或者放在桌子上的一杯水里发生了什么？当我们通常观察一杯稳定的水时，不会注意到动能或机械能。但是，当在显微镜下观察到分子的快速运动时，会观察到决定内能的分子。热力学是研究热和工作对状态变化的综合影响的科学领域。这些变化和后果受特定规则的约束，称为热力学定律。
在各种化学过程中产生或吸收的热能根据热力学原理转化为各种可用形式。我们知道我们既不能产生也不能破坏能量。我们只能将它从一种形式转换为另一种形式。这一原理是能源转换的基础，它在许多领域的应用是热力学术语的重要应用。化学反应也与可变数量的能量有关。研究从一种形式到另一种形式的能量转移是热力学的全部内容。它还研究了热量和温度之间的关系，以及能量和劳动力之间的关系。
什么是热力学？
热力学是与能量和给定系统的功之间的关系相关的概念。热力学一词由威廉·托马斯（开尔文勋爵）于 1749 年创造。它源自希腊语“Thermes”和“dynamis”，分别表示热和能量或功率。热力学历史悠久，事实证明，热力学方法在指导设备工程方面取得了成功。他们利用这一概念将热能转化为机械能，以进行不同的工作。
Thermodynamics can be defined as the branch of physics which deals with the relation of heat, work, and energy.
热力学是宏观科学。从概念上讲，它是将粒子运动产生的热能转化为机械能。但也需要注意的是，热力学取决于系统的初始和最终状态，因为它处理的是整体系统，而不是能量转换或身体的分子成分。
例如，火车上使用的蒸汽机利用蒸汽产生的力或能量推动活塞往复并产生泡沫，同时通过与活塞相连的轮子将其转化为旋转力。
热力学规则与过程中发生的能量变化有关。它们与反应发生的速率无关。在热力学术语中，我们经常使用通用词，例如功、热和内能。现在让我们学习很多关于这些词的知识，并确保我们能很好地掌握它们。
内能
The energy stored inside the system is a result of the random movements of the particles, as well as the potential energies of the molecules as a result of their orientation, such energy is called Internal Energy.
内能定义为系统内存在的总动能（由于随机粒子运动）和势能（与粒子状态有关）。内能受温度、开始和结束状态的影响，但不受行程的影响。理想气体的内能仅由温度决定，而实际气体的内能则由温度和体积共同决定。
- 内能的测量单位是焦耳 (J)。
- 它由字母 U 表示。
Internal Energy Formula
The Formula for Internal Energy is stated as,
ΔU = Q + W
where,
- ΔU is the internal energy of the system,
- Q is the heat supplied to the system, and
- W is work done by the system.
焓与内能的关系
这里给出了理想气体的内能和焓之间关系的原因，以及证明理想气体的内能仅是温度的函数的数学技术。
理想气体的内能 (U) 为：
U = U(T)
但是，焓 (H) 项表示为：
H = U + PV ……(1)
在哪里，
- P 是压力，并且
- V是理想气体的体积。
现在，让我们在上述方程中应用理想气体方程，由下式给出：
PV = RT
在哪里，
- R 是理想气体常数，并且
- T 是理想气体的温度。
⇒ H = U + RT
此外，理想气体的焓为：
H = H(T)
因为，与温度相关的恒定体积和压力下的比热（C v和 C p ）由下式给出：
dU = C v (T) dT
dH = C p (T) dT
使用上述等式，比热比 k 为：
k = C p / C v = U / H
对于理想气体，这是内能与焓之间的关系。
热
Heat is defined in thermodynamics as energy in motion. It is the energy that the kinetic energy of the substance’s molecules held. Heat and thermodynamics are crucial in assisting process designers and engineers in optimising their operations.
它还使他们能够经济地捕获与化学过程有关的能量。热量从较高的温度转移到较低的温度。这一概念有助于科学家开发不同的热机。当出现温度差异时，热量是传输中的能量。内能等于由分子引力引起的内动能和内势能之和。加热的物体比相同大小的冷物体具有更多的内部能量。
进入系统的热量被认为是正的 (+ve)。而离开的热量被认为是负的（-ve）。
影响热流量的因素有：
- 物质的质量 (m)。
- 两个物体之间的温差 (ΔT)。
- 最后是物质的性质。
这意味着，
Q ∝ mΔT
要么
Q = cmΔT
其中 c 是比例常数（称为比热容）。这是由身体的性质决定的。
工作
Work done by a system, according to thermodynamics, is the total amount of energy that the system and its surroundings exchange within itself. The quantity of work done is determined by external elements in the environment.
这些变量可能包括外力、温度、压力或体积的变化等。热力学还涉及另一个与能量转移有关的术语“功”。气体在膨胀时做功，气体在压缩时做功。这项工作取决于路径以及初始和最终状态。
系统做的功为正（+ve），系统做的功为负（-ve）。例如，假设活塞含有气体。当活塞由于气体的膨胀向上移动时，我们说做功是由气体做的并且是正的。而如果活塞向内移动，则称做功是在气体上做的，是负的。
图：气体对活塞所做的功。
完成工作的公式由下式给出，
W = ∫P.dV
示例问题
问题1.冰块放在手上的时候，有冰凉的感觉，为什么？
解决方案。
When a piece of ice is placed on hand a cold sensation is felt because the temperature of ice is less than that of the hand. Hence, the heat gets transferred from the hotter body to colder i.e. from the hand to ice.
问题2. 内能的绝对值可以确定吗？为什么或者为什么不？
解决方案。
No, the absolute value of internal energy cannot be determined because it is the sum of different forms of energies and some of which cannot be determined actually.
问题3 ：影响系统内能的因素有哪些？
解决方案。
Temperature and volume can be responsible for the alteration of internal energy as the temperature of the system increase molecules start to move fast and hence, the kinetic energy also increases simultaneously.
问题 4. 带有可移动活塞的气缸由气体组成，其上放置了一个重块。假设块体和可移动活塞的总质量为 51 kg。当 1070 J 的热量流入气体时，气体的内能增加 790 J。活塞上升的距离是多少？
解决方案。
Given that,
Total heat supplied = work done + change in internal energy
Now,
Work done = 1070 – 790 = 280 J
Let’s consider s be the distance moved by piston,
The workdone is given by
W = F.s
s = 280 / F
s = 280/ 51×10
s = 0.54 m
问题 5。电加热器以 50 的速率向系统供热。如果系统每秒做 25 焦耳的功。内能增加的速度是多少？
解决方案。
Given,
Heat supplied to the system (Q) = 50 W
Work done performed (W) = 25 J/s
As per the equation,
Q = U + W
U = 50 -25
= 25 J/s
Therefore, the internal energy of the system increases by the rate of 25 J/s.
问题 6. 什么被认为是热力学的基础？
解决方案。
The law of conservation of energy that “energy can neither be created nor be destroyed” and transfer of heat from a hot body to a cold body is the foundation of Thermodynamics.