熱力學定律
壓容功
壓容功(pressure-volume work)是氣體膨脹、把環境推開時所做的機械功,或某物把氣體擠小時對氣體所做的功。當汽車引擎裡的氣體膨脹,它把活塞往下推,這個推力乘以活塞移動的距離就是有用的功——正是驅動車輪的那種功。它回答的問題是:一團體積在變化的氣體,會輸出或吸收多少機械能?
當壓力 P 為定值,氣體所做的功就是 W = P ΔV,壓力乘以體積的變化。這直接來自「功 = 力 × 距離」:氣體以 F = P A 的力推著面積為 A 的活塞,若活塞移動距離 d,體積就改變 ΔV = A d,所以 W = F d = P A d = P ΔV。當氣體膨脹時壓力會改變,你就把許多薄片加總起來,在微積分中即為積分 W = ∫ P dV——恰好就是 PV 圖上路徑下方的面積。
壓容功是連接熱與運動的橋樑,讓每一部熱機得以成真。關於正負號的兩個誠實要點:氣體膨脹時功為正(它把能量給了環境),被壓縮時功為負(能量流進來)。而且因為功取決於所走的整條路徑、而非僅僅起點與終點,所以功——和熱一樣——不是狀態函數;只有內能才是。
一團氣體在固定的 200000 帕下,從 0.001 立方公尺膨脹到 0.004 立方公尺。它所做的功是 W = P ΔV = 200000 × (0.004 − 0.001) = 200000 × 0.003 = 600 焦耳,這是傳給活塞所推動之物的能量。
在定壓下膨脹時,功等於壓力乘以體積的變化。
W = P ΔV 只有在壓力為定值時才成立;當過程中 P 會改變時,你必須用實際 PV 曲線下方的面積,而不能只用起始或結束的壓力。
又稱
另見