能量与热力学第一定律
功
在热力学里,功是通过推或拉——由一个力作用过一段距离——而跨过边界的能量,而不是靠温差传递的能量。想象一只打气筒:你把手柄往下压,里面的空气被挤压,你肌肉的能量就送进了气体。这种有组织、有方向的能量传递,里面有东西明明白白地顶着一个力在动,就是功。
化学里最常见的一种是体积功(压强—体积功):气体膨胀时把周围环境往外推,或者周围环境往里压、把气体压缩。在公式里功写作 w:能量被送入系统时(气体被压缩)记为正,系统把能量交出去时(气体膨胀、向外推)记为负。和热一样,功也是一个路径函数——其大小取决于变化是怎样进行的。
功和热,是能量进出系统的两扇门,二者合起来决定了内能的变化。它们的区别在于「有序程度」:功是通过协调一致的、宏观的运动来传递的能量,而热是通过分子杂乱无章的碰撞来传递的能量。同样多的能量,可以从任意一条路抵达。
汽油在发动机汽缸里燃烧时,灼热的气体膨胀,把活塞往下推。这种对活塞的向外推力就是功——发动机正把化学能转化为运动。
膨胀的气体推动活塞,是体积功最经典的例子。
功的正负号约定在不同教科书里不一样。现代物理学的约定(本文采用)把「对系统做的功」记为正,于是 ΔU = q + w。一些较旧的化学教材则把「系统对外做的功」记为正,写成 ΔU = q − w。物理本质完全相同,只是记账的符号反了过来。
又称
另见