为什么热力学中的很多概念和定义都要建立在“无非体积功”的基础上?做非量的工作有什么效果?

纠正另一个回答者的问题。毫无疑问,热力学基本定律是普遍适用的(至少到目前为止没有反例)。但是很多热力学公式,甚至很多非常基础的公式,比如第一定律的常用表达式δ U = Q+W,热力学基本方程dU=TdS-pdV,定容热容Cv=(dU/dT)v(这里表示偏导数)都是有条件的。

就像第一定律只有用文字表达才是普遍的一样,公式表达通常是有限的。比如δ u = q+w是一个封闭系统,系统的动能不变。显然,前一个条件常见的反例是摩擦生热(假设绝热条件)。在这个过程中,外部摩擦力对物体做负功,但物体的内能增加。内能增加的来源是物体动能的减少。

至于非体积功的条件,在热力学公式中是很常见的。Cv = lim(δQ/δT)v的定义是普适的,但Cv=(dU/dT)v一定没有非体积功,因为推导中使用了非体积功条件。当有非体积功时,δQv =δU-W,其中W包括体积功(零)和非体积功(非零),所以δQv不等于δU,Cv=(dU/dT)v不成立。

再比如,根据第一定律dU=dQ+dW和熵定义dQ=TdS和体积功dW=-pdV推导出dU=TdS-pdV。当有非体积功时,dW也应包括非体积功dW’,基本方程形式应为dU = TdS-pdV+dW’。

如果说热力学难,最大的困难在于不同公式的适用条件。只有在理解的基础上记住公式的推导过程,才能理解这个公式,不容易出错,即使出错往往是不可避免的,即使稍有疏忽。