探索热力学第一定律：工程热力学的基石
热力学第一定律，如同工程热力学的基石，揭示了能量转换和守恒的奥秘。它涵盖了多种形式的能量，如内动能（ )、内位能（)、化学能（)、原子能（)和电磁能(），共同构成了我们所说的热力学能，用符号 U 表示，单位是焦耳（J）。
当我们谈论物质的热力学能时，我们引入了比热力学能(u)，它是物质状态特性的反映，与物质的路径无关，是系统状态参数的重要组成部分。
总能（W） 是热力学能与宏观运动动能和位能的综合，用字母 W 表示，公式揭示了这个关系：W = ρv²/2 + ρgh + U，其中 ρ 是密度，v 速度，g 重力加速度，h 高度。比总能 u 则是 W 减去与路径相关的部分，它在热力学中占据核心地位。
进一步，推动功和流动功在热力学过程中扮演着重要角色。推动功(Pd)，如活塞系统中的能量转移，只有当工质越过系统边界时才会发生；而流动功(Pf)则是维持工质流动所需的额外能量，它等于推动功的差值。
热力学中的一个重要概念是焓(H)，它是系统引入或排除工质时的总热量与推动功之和，用作描述系统能量变化的另一个关键参数。焓的定义为：H = U + Pd，单位是焦耳。
热力学第一定律的基石是能量平衡原理，它通过基本表达式(Q - W = ΔU)来阐述。在闭口系统中，能量交换仅限于热量和功；在开口系统中，还有物质的流动能量。对于活塞系统，热量 Q 和做功 W 的变化，决定了系统内热力学能 U 的增减。
微元形式的热力学第一定律为我们理解能量转换提供了更为精细的视角。对于工质 i，能量变化可以表示为：ΔU_i = m_i * (Q_i - W_i)，这里 m_i 是工质质量，Q_i 为吸热，W_i 为对外做功。
在稳定流动中，能量方程式揭示了能量在系统各部分的流动和转化。例如，当压气机工作时，耗功 P_c 与工质在机器内部的机械能变化、流动功和技术功相平衡。对于可逆过程，能量转换尤为高效，微元过程的能量变化遵循特定的规律。