熱力學的第一定律指出，熱是一種能量的形式，因此熱力學過程受到能量保護原則的約束。這意味著不能創造或破壞熱能大不列顛。但是，它可以從一個位置轉移到另一個位置，然後轉換為其他形式的能量。
熱力學是處理熱量與其他形式能量之間關係的物理學分支。特別是，它描述了熱能如何轉化為其他形式的能量及其影響方式事情。熱力學的基本原理在四個法律中表達。
密蘇里州立大學物理學教授Saibal Mitra告訴Live Science：“第一定律說，系統的內部能量必須等於系統上正在完成的工作，再加上或減去流入或從系統上流出的熱量以及系統上所做的任何其他工作。” “因此，這是對能源保護的重述。”
米特拉說：“系統的內部能量的變化是與系統的所有能源輸入和輸出的總和類似於您如何確定銀行餘額的變化的所有存款和提款。”
這在數學上表示為：δ你=問- w，其中δ你是內部能量的變化，問是加熱到系統中嗎？w據大不列顛說，是系統完成的工作。
熱力學第一定律的歷史
根據1883年，安托萬·拉瓦西耶（Antoine Lavoisier）首次提出的18世紀末期，科學家在18世紀初遵守了熱量理論，並在1824年受到薩迪·卡諾特（Sadi Carnot）的作品的進一步加強。美國體育社會。這科學理論將熱量視為一種自然從熱到冷區流動的液體，就像水從高處流向低位一樣。當這種熱量流體從熱區流向冷區域時，可以轉換為動能並做得很大，因為掉落的水可以驅動水輪。直到1867年魯道夫·克勞西烏斯（Rudolf Clausius弗吉尼亞大學。
熱力學系統
密蘇里州南部州立大學物理學教授戴維·麥基（David McKee）說，能源可以分為兩個部分。其中之一是我們的人體尺度宏觀貢獻，例如活塞移動和推動氣體系統。其餘的是由很小的規模發生的事情組成，我們無法跟踪個人貢獻。
“當我將兩個金屬樣本相互對抗時，原子邊界上四處亂逛，兩個原子互相反彈，其中一個比另一個彈跳速度快，我無法跟踪它。麥基告訴《現場科學》，它發生在非常小的時間尺度和很小的距離上，每秒多次發生很多次。因此，我們只是將所有能量轉移分為兩組：我們將要跟踪的東西，以及我們將不會跟踪的東西。後者是我們所說的熱量。 ”
熱力學系統通常被認為是開放，封閉或隔離的。根據卡爾加里大學，一個開放系統可以自由交換能量和物質與周圍環境；封閉的系統與周圍環境交換了能量，但無關緊要。孤立的系統不會與周圍環境交換能量或物質。例如，一鍋沸騰的湯從爐子中接收能量，從鍋中散發熱量，並以蒸汽的形式發射，這也帶走了熱能。這將是一個開放系統。如果我們在鍋上蓋上一個緊密的蓋子，它仍然會輻射熱能，但理想情況下不再以蒸汽的形式發出物質。這將是一個封閉的系統。但是，如果我們將湯倒入完美絕緣的熱水瓶瓶中並密封蓋子，則不會有能量或物質進入系統。這將是一個孤立的系統。
但是，實際上，完全隔離的系統不存在。所有系統無論隔熱程度如何，都將能量轉移到其環境中。熱水瓶中的湯只能保持熱量幾個小時，並且第二天將達到室溫。在另一個例子中，白色矮星，不再產生能量的燃燒的恆星的熱殘留物可以被星際空間中幾乎完美的真空吸塵器隔離，但由於通過輻射，由於能量損失，它們最終將從數十萬度到接近絕對零的零度冷卻。儘管此過程比宇宙的當今時代需要更長的時間，但沒有停止它。
加熱發動機
第一法律最常見的實際應用是加熱發動機。熱發動機將熱能轉換為機械能，反之亦然。大多數熱發動機屬於開放系統的類別。加熱發動機的基本原理利用了工作流體的熱，體積和壓力之間的關係（任何流動的物質），通常是氣體佐治亞州立大學。工作流體的實例包括蒸汽機中的蒸汽和製冷系統中的氫氟化合物。
當氣體加熱時，它會膨脹。但是，當防止這種氣體擴展時，壓力會增加。如果禁閉室的底壁是可移動活塞的頂部，則這種壓力會在活塞表面施加力，從而使其向下移動。然後，可以利用這種運動來進行與活塞頂部施加的總力相等的工作。活塞移動的距離。
基本的熱發動機有許多變化。例如，蒸汽機依靠外部燃燒加熱裝有工作流體的鍋爐罐，通常是水。將水轉化為蒸汽，然後使用壓力驅動將熱能轉換為機械能的活塞。然而俄克拉荷馬大學。
冰箱，空調和熱泵
冰箱和熱泵是將機械能轉換為熱量的熱發動機。其中大多數屬於封閉系統的類別。當工作流體或氣體被壓縮時溫度增加。然後，這種熱氣體可以將熱量轉移到周圍環境中。然後，當允許壓縮氣體膨脹時，其溫度比壓縮之前的溫度更冷，因為在熱週期內除去了一些熱能。然後，這種冷氣可以從其環境中吸收熱能。這是空調背後的工作原理波士頓大學。空調實際上並沒有產生冷。他們去除熱量。
機械泵將工作流體在室外轉移，並通過壓縮加熱。接下來，通常通過風冷的熱交換器將熱量轉移到室外環境，該熱交換器通常使用電風扇將熱量驅逐到環境中。然後，將工作流體帶回室內，允許它擴展和冷卻，以便它可以通過另一個熱交換器從室內空氣中吸收熱量。
熱泵只是反向運行的空調。壓縮工作流體的熱量用於加熱建築物。然後將其轉移到外面的外面並變冷的地方，從而使其從外部空氣中吸收熱量，即使在冬天，通常也比冷工作的液體溫暖。工作流體通常具有足夠低的冰點，即使在非常低的溫度下也保持流動。
地熱或地面源空調和熱泵系統在深井中使用長U形管，或埋在大面積的水平管中，通過該管道循環工作，並根據其傳遞熱量，並根據地球傳遞熱量。美國能源部。其他系統使用河流或海水來加熱或冷卻工作流體。
現場科學撰稿人阿什利·哈默（Ashley Hamer）於2022年1月28日更新了這篇文章。
其他資源
以下是熱力學第一定律的其他三個解釋：
- 概念學院在YouTube上
- 喬治·梅森大學地球科學教授羅伯特·M·哈森（Robert M. Hazen）每天的大課程
- 這OpenStax College Physics分會來自愛荷華大學
參考書目
大不列顛，“熱力學的第一定律”，2021年6月1日。https://www.britannica.com/science/thermodynamics/ththe-first law-of-thermodynymics
科學史研究所，“安托萬·拉格蘭特·拉沃伊爾”，2017年12月11日。https://sciencehistory.org/historical-profile/antoine-laurent-lavoisier
美國機械工程師學會“尼古拉斯·萊納德·薩迪·卡諾”，2012年4月10日，https://www.asme.org/topics-resources/content/nicolas-leonard-sadi-carnot
魯道夫·克勞西烏斯（Rudolfph Clausius），“熱的機械理論”。約翰·範沃斯特（John Van Voorst），1867年。
美國物理學會，“本月物理歷史1840年12月：焦耳關於將機械力轉化為熱量的摘要”，2009年12月。https://www.aps.org/publications/apsnews/200912/physicshistory.cfm
弗吉尼亞大學，“教學熱：熱量理論的興衰”，2003年7月。https://galileoandeinstein.physics.virginia.edu/more_stuff/teachingheat.htm
卡爾加里能源教育大學，“系統與周圍”，2021年9月27日。https://energyeducation.ca/encyclopedia/system_and_surrounding
佐治亞大學體育學，“熱發動機週期”，https://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/heaeng.html
俄克拉荷馬大學Ecourses，“熱力學 - 理論”。https://www.ecourses.ou.edu/cgi-bin/ebook.cgi?topic=th&chap_sec = 08.1&page=theory
波士頓大學，“熱發動機和第二定律”，1999年12月10日。https://physics.bu.edu/~duffy/py105/heatengines.html
美國能源部，“地熱熱泵”。https://www.energy.gov/energysaver/geothermal-heat-pumps
