結構生物化學/第一定律

介紹

熱力學第一定律是能量守恆原理的表達。它指出，一個系統及其周圍環境的總能量是恆定的，能量可以轉換，但不能創造或毀滅。

熱力學第一定律可以透過將生物體視為一個系統來應用於生物體。一個系統在沒有外部能量來源的情況下，不能輸出超過其所含能量的能量。一旦碳水化合物和其他能量來源中鎖定的勢能被生物體轉化為動能（正在使用或運動的能量），生物體將不會獲得更多能量，直到再次輸入能量。瞭解這一點很重要，因為細胞、核糖體、蛋白質等執行的各種任務，只有透過將預先組裝的分子攝取和轉化為能量才能實現。

描述該理論的一般方程為

$dU=\delta Q-\delta W\,$

其中dU是內能的變化，dq是交換的無窮小熱量，dw是所做的無窮小功。功和熱不是狀態變數，而內能是。在這個等式中，它表明只有熱量和功會導致系統內能的變化，內能定義為封閉系統內所有動能和勢能的總和。這個等式也可以用文字描述為：儘管能量有多種形式，但能量的總量是恆定的；當能量以一種形式消失時，它會同時以其他形式出現。

除了功和外部勢能和動能之外，透過認識到熱量和內能是能量的形式，才有可能對機械能守恆定律進行推廣。事實上，表面能、電能和磁能等例子都可以作為上述推廣的延伸。大量證據支援了這種推廣的有效性，將其提升為科學定律，被稱為熱力學第一定律。

重要的是要了解系統的內能如何在恆定壓力和溫度條件下發生變化，因為許多化學反應是在這些特定條件下進行的。使用內能的定義，並假設只進行膨脹功，我們可以寫出

$dU=\delta Q-P*\delta V\,$

展開項得到

ΔU = U₂ - U₁ = Q_p + W = Q_p - P*ΔV = Q_p - P*(V₂ - V₁)

最後，重新排列Q_p得到

Q = (U₂ -P*V₂) - (U₁ - P*V₁)

由於U、P和V都是狀態變數，我們可以將恆壓下轉移的熱量Q_p定義為一個新的狀態函式，稱為焓，H。我們可以將這個新的狀態函式表示為

H = U + PV

其中H、U和V是摩爾值或單位質量值。U表示系統的內能，P表示壓力，V表示體積。

當向系統新增熱量時，系統的內能會增加，這反過來又會增加焓。周圍環境對該系統所做的功將產生類似的結果（正功）。相反，熱量損失到周圍環境或系統所做的功對於焓和功將得到負號。換句話說，系統能量的任何變化都必須導致周圍環境能量的相應變化。因此，能量從系統轉移到周圍環境（宇宙的重置），或從周圍環境轉移到系統。因此，能量既不能創造也不能毀滅。

將熱力學第一定律應用於給定過程時，該過程的影響範圍被劃分為兩個部分。過程發生的區域被設定為系統；與系統相互作用的一切都是它的周圍環境。一個系統可以是任何大小；它的邊界可以是真實的或虛構的，剛性的或靈活的。一個系統通常由單一物質組成；但是，在科學和工程應用中也可能找到由多種物質組成的複雜系統。無論如何，熱力學方程都是針對明確定義的系統編寫的。人們經常關注特定過程，以及直接參與該過程的裝置和材料。但是，熱力學第一定律適用於系統及其周圍環境；而不是系統本身。

結論

熱力學第一定律是能量既不能創造也不能毀滅。

一般形式

• 累積 = 輸入 - 輸出
• 輸入 = 能量（勢能、動能、內能）輸入系統的速率 + 熱量進入系統的速率
• 輸出 = 熱量離開系統的速率 + 它以功離開的速率
• 累積 = 系統中能量的速率

參考文獻

2.Smith, J.M. (2005). 化學工程熱力學導論. 麥格勞-希爾. ISBN 978-007-127055-7. {{cite book}}: Text "coauthors+ H.C. Van Ness, M.M. Abbott" ignored (help)

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