热力学的第一定律指出，热是一种能量的形式，因此热力学过程受到能量保护原则的约束。这意味着不能创造或破坏热能大不列颠。但是，它可以从一个位置转移到另一个位置，然后转换为其他形式的能量。
热力学是处理热量与其他形式能量之间关系的物理学分支。特别是，它描述了热能如何转化为其他形式的能量及其影响方式事情。热力学的基本原理在四个法律中表达。
密苏里州立大学物理学教授Saibal Mitra告诉Live Science：“第一定律说，系统的内部能量必须等于系统上正在完成的工作，再加上或减去流入或从系统上流出的热量以及系统上所做的任何其他工作。” “因此，这是对能源保护的重述。”
米特拉说：“系统的内部能量的变化是与系统的所有能源输入和输出的总和类似于您如何确定银行余额的变化的所有存款和提款。”
这在数学上表示为：δ你=问- w，其中δ你是内部能量的变化，问是加热到系统中吗？w据大不列颠说，是系统完成的工作。
热力学第一定律的历史
根据1883年，安托万·拉瓦西耶（Antoine Lavoisier）首次提出的18世纪末期，科学家在18世纪初遵守了热量理论，并在1824年受到萨迪·卡诺特（Sadi Carnot）的作品的进一步加强。美国体育社会。这科学理论将热量视为一种自然从热到冷区流动的液体，就像水从高处流向低位一样。当这种热量流体从热区流向冷区域时，可以转换为动能并做得很大，因为掉落的水可以驱动水轮。直到1867年鲁道夫·克劳西乌斯（Rudolf Clausius弗吉尼亚大学。
热力学系统
密苏里州南部州立大学物理学教授戴维·麦基（David McKee）说，能源可以分为两个部分。其中之一是我们的人体尺度宏观贡献，例如活塞移动和推动气体系统。其余的是由很小的规模发生的事情组成，我们无法跟踪个人贡献。
“当我将两个金属样本相互对抗时，原子边界上四处乱逛，两个原子互相反弹，其中一个比另一个弹跳速度快，我无法跟踪它。麦基告诉《现场科学》，它发生在非常小的时间尺度和很小的距离上，每秒多次发生很多次。因此，我们只是将所有能量转移分为两组：我们将要跟踪的东西，以及我们将不会跟踪的东西。后者是我们所说的热量。”
热力学系统通常被认为是开放，封闭或隔离的。根据卡尔加里大学，一个开放系统可以自由交换能量和物质与周围环境；封闭的系统与周围环境交换了能量，但无关紧要。孤立的系统不会与周围环境交换能量或物质。例如，一锅沸腾的汤从炉子中接收能量，从锅中散发热量，并以蒸汽的形式发射，这也带走了热能。这将是一个开放系统。如果我们在锅上盖上一个紧密的盖子，它仍然会辐射热能，但理想情况下不再以蒸汽的形式发出物质。这将是一个封闭的系统。但是，如果我们将汤倒入完美绝缘的热水瓶瓶中并密封盖子，则不会有能量或物质进入系统。这将是一个孤立的系统。
但是，实际上，完全隔离的系统不存在。所有系统无论隔热程度如何，都将能量转移到其环境中。热水瓶中的汤只能保持热量几个小时，并且第二天将达到室温。在另一个例子中，白色矮星，不再产生能量的燃烧的恒星的热残留物可以被星际空间中几乎完美的真空吸尘器隔离，但由于通过辐射，由于能量损失，它们最终将从数十万度到接近绝对零的零度冷却。尽管此过程比宇宙的当今时代需要更长的时间，但没有停止它。
加热发动机
第一法律最常见的实际应用是加热发动机。热发动机将热能转换为机械能，反之亦然。大多数热发动机属于开放系统的类别。加热发动机的基本原理利用了工作流体的热，体积和压力之间的关系（任何流动的物质），通常是气体佐治亚州立大学。工作流体的实例包括蒸汽机中的蒸汽和制冷系统中的氢氟化合物。
当气体加热时，它会膨胀。但是，当防止这种气体扩展时，压力会增加。如果禁闭室的底壁是可移动活塞的顶部，则这种压力会在活塞表面施加力，从而使其向下移动。然后，可以利用这种运动来进行与活塞顶部施加的总力相等的工作。活塞移动的距离。
基本的热发动机有许多变化。例如，蒸汽机依靠外部燃烧加热装有工作流体的锅炉罐，通常是水。将水转化为蒸汽，然后使用压力驱动将热能转换为机械能的活塞。然而俄克拉荷马大学。
冰箱，空调和热泵
冰箱和热泵是将机械能转换为热量的热发动机。其中大多数属于封闭系统的类别。当工作流体或气体被压缩时温度增加。然后，这种热气体可以将热量转移到周围环境中。然后，当允许压缩气体膨胀时，其温度比压缩之前的温度更冷，因为在热周期内除去了一些热能。然后，这种冷气可以从其环境中吸收热能。这是空调背后的工作原理波士顿大学。空调实际上并没有产生冷。他们去除热量。
机械泵将工作流体在室外转移，并通过压缩加热。接下来，通常通过风冷的热交换器将热量转移到室外环境，该热交换器通常使用电风扇将热量驱逐到环境中。然后，将工作流体带回室内，允许它扩展和冷却，以便它可以通过另一个热交换器从室内空气中吸收热量。
热泵只是反向运行的空调。压缩工作流体的热量用于加热建筑物。然后将其转移到外面的外面并变冷的地方，从而使其从外部空气中吸收热量，即使在冬天，通常也比冷工作的液体温暖。工作流体通常具有足够低的冰点，即使在非常低的温度下也保持流动。
地热或地面源空调和热泵系统在深井中使用长U形管，或埋在大面积的水平管中，通过该管道循环工作，并根据其传递热量，并根据地球传递热量。美国能源部。其他系统使用河流或海水来加热或冷却工作流体。
现场科学撰稿人阿什利·哈默（Ashley Hamer）于2022年1月28日更新了这篇文章。
其他资源
以下是热力学第一定律的其他三个解释：
- 概念学院在YouTube上
- 乔治·梅森大学地球科学教授罗伯特·M·哈森（Robert M. Hazen）每天的大课程
- 这OpenStax College Physics分会来自爱荷华大学
参考书目
大不列颠，“热力学的第一定律”，2021年6月1日。https://www.britannica.com/science/thermodynamics/ththe-first law-of-thermodynymics
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