熱力學能

熱力學能，過去長期叫內能，符號U，是系統內各種形式能量的總和，例如系統中分子的動能(分子運動包括平動、轉動和振動三種形式)、分子內電子運動的能量、原子核內的能量分子間作用能等等，難以勝數，隨認識的深化不斷發現新的能量形式，但有一點是肯定無疑的，任何系統在一定狀態下內能是一定的，因而熱力學能是狀態函式。熱力學能的絕對值難以確定，也無確定的必要，我們關心的是熱力學能的變化，只要終態始態一定，熱力學的變化量U是一定的。

基本介紹

• 中文名：熱力學能
• 外文名：internal energy
• 實質：狀態函式
• 國際單位：焦耳（J）

公式原理

構想向一個系統供熱，系統的溫度就要上升，這表明，系統的內能增加了， 其增加的量當然就等於系統吸收的熱量:△U=Q;在構想對一個系統做功，系統的內能也增加了，其增加量當然就等於環境向他做的功:△U=W;若即向系統做功， 又向系統供熱，系統內能的增加量等於環境向他做的功，系統內能的增加就等於吸收的熱量與環境向系統做功的總和:△U=Q+W。

系統與環境的能量交換的方向可以倒過來，系統放熱、系統向環境做功或者系統即向環境放熱又向環境做功或者，系統向環境放熱的同時環境向系統做功，或環境向系統供熱的同時系統向環境做功呢?這個關係時都同樣成立。總之，這個關係式概括了一個客觀事實:能量及不可能無緣無故地產生，也不會無緣無故地消失，只會從一種形式轉變為另一種形式， 這就是熱力學第一定律，因而下式被稱為熱力學第一表達式:

以上分析表明，熱力學定律是對客觀事實進行概括得出的結論。

例如:在298.15K 下按方程式

發生1mol 反應，是無法計算熱量的，因為沒有給定從始態(反應物)到終態(生成物)兩個狀態的溫度、體積和壓力等狀態函式。如果給定終態溫度仍為298.15K，即發生等溫過程，還不能回答，要看系統的體積或壓力是否改變。如果再給定始態和終態 系統的體積不變，即反應在一個剛性器壁的容器里進行，即發生等溫等容過程， 我們才能進行實際測定和理論計算。

可以通過實驗來測定反應熱效應。測定等溫等容反應熱效應使用的實驗儀器叫做“燃燒彈”(又叫氧彈,因燃燒通常指物質與氧反應)。燃燒彈是一個封閉系統，當用電熱絲觸發反應發生(電熱絲共給的能量因相比與反應發生放出 的能量變化太小，可忽略不計)，系統的溫度迅速升高，設燃燒彈具有剛性壁，容積一定，系統與環境之間沒有發生功交換，若系統溫度恢復到298.15K，在等溫等容下化學反應的內能變化就完全以熱的形式傳遞給環境。於是可得到:。

式中Q的下標“V”是表明這種熱效應是在系統發生等容過程是測定的,這種熱效應稱為等容熱效應。這個式子表明:當化學反應在等溫等容下發生，系統與環境沒有功交換(包括膨脹功和有用功)，反應熱效應等於反應前後系統的熱力學能(內能)的變化量。

經測定，發生上述1mol 反應，=-240.580kJ/mol(單位中加了“/mol” 是表示按上述化學方程式發生1mol 反應釋放的熱量)。為此，我們用下式來表示這個反應的內能變化:

(298.15K)=-240.580kJ/mol

符號(298.15K)中的下標“r”是反應(reaction)的意思，“m”是發生1mol 反應(molar reaction)的意思，上標“”表明反應是在熱力學標準狀態(thermodynamic standard state)下進行的，括弧內給出了這個等溫過程的溫度，因而符號的全名應該是標準摩爾反應的能量變化，或反應內能變化。

諾燃燒彈內發生一個吸熱反應，上式同樣成立，所不同的是>0。也就是說，當系統恢復到反應前的溫度時，系統要從環境吸收相當於反應物變成生成物內能減少的熱量。總之，化學反應的熱力學能變化(內能變化)的具體數值是與化學方程式一一對應的，所謂“對應”,不僅指發生什麼反應， 而且指怎樣書寫化學方程式。

內能改變

影響內能的因素有溫度、物體內部分子的多少、種類、結構、狀態等。

做功和傳熱能改變熱力學內能。

外界對物體做功，或者物體從外界吸收熱量，物體的內能增加；反之，物體對外界做功，或者物體向外界放出熱量，物體的內能減少。常見的對物體做功的四種方法：①壓縮體積，物體的內能增加，如打氣筒打氣；②摩擦生熱，物體的內能增加，例鑽木取火；③鍛打物體，物體內能增加，如發令槍響；④擰彎物體，物體的內能增加，如來回多次擰彎金屬絲。

做功和傳熱

具體改變途徑如下圖

不同形式的能量（如內能和機械能、化學能和內能）之間可以相互轉化。