余高奇博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/yugaoqi666 经典热力学也称平衡态热力学,研究系统由一个热力学平衡态变化至另一个热力学平衡态的准静态过程的自发性; 它是真实热力学过程发生的必要条件。

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体积功在热力学第一定律中的客观地位

已有 958 次阅读 2024-3-7 11:19 |系统分类:教学心得

       本文拟探究体积功在热力学第一定律中的客观地位,供参考.

  1. 体积功(WT

    设某封闭系统由始态1变化至终态2,过程示意图参见如下图1所示:

    image.png  

                                                          图1. 封闭系统热力学过程示意图

    过程体积功的定义式参见如下式(1)所示:

    δWT=-pe·dV               (1)

    式(1)中“pe”代表环境大气压强(或外压).

  2. 热力学第一定律推演

    上述过程对应的热力学第一定律表示式为:

    dUQWTW'=δQ-pe·dVW'           (2)

    式(2)中“δW'”代表非体积功,也称有效功.

    平衡态热力学规定:有效功通常专指电功及表面功,对于一般热力学过程,δW'≡0.

    此时式(2)可化简为:

    dUQ-pe·dV          (3)

    对于封闭系统内某宏观热力学过程,由式(3)可得:

    ΔU=Q-pe·(V2-V1)=Q-pe·ΔV                 (4)

    式(4)中“pe”的值通常恒定,因此对于某确定的热力学过程,热力学能变(ΔU)、热量(Q)及体积

功(WT)的值均恒定.

      平衡态热力学采用上述推演模式,解决了热力学过程功与热的赋值问题.

  3.问题讨论

       事实上pVT变化过程,封闭系统压强p与环境大气压强pe总是同时存在,两者理化属性完全一致;承认体

积功(δWT=-pe·dV  ),就不能否认体势变(δWV=-p·dV)的客观性.

       平衡态热力学规定,热力学过程中环境通常不提供有效功,即要求ppe,系统体积膨胀.

       此时:▏WV▕>▏WT▕,即体积功仅为体势变的一部分.

       另一方面,由于系统体积膨胀过程,pe值通常恒定,体积功的大小仅取决于过程的始态V1与末态V2的大

小,明显违背了热力学的“功、热均为过程函数”的最初设计.

       综上所述,笔者认为热力学第一定律中的“体积功(WT)及δW'≡0”规定不合理.

 4. 结论

        体积功是热力学过程的一种能量传递形式,它仅为体势变(WV)的一部分;(平衡态)热力学第一定律

中“体积功WT)及δW'≡0”规定不合理.



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