62. Первое начало термодинамики.

 

Рассмотрим термодинамическую систему, для которой механическая энергия не изменяется, а изменяется лишь ее внутренняя энергия. Внутренняя энергия системы может измениться в результате различных процессов, например совершением над системой работы и сообщения ей теплоты. Так, двигая поршень в цилиндр, в котором находится газ, сжимаем этот газ, в результате чего его температура повышается, т.е. тем самым изменяется (увеличивается) внутренняя энергия газа. С другой стороны, температуру газа и его внутреннюю энергию можно повысить за счет сообщения ему некоторого количества теплоты – энергии, переданной системе внешними телами путем теплообмена (процесс обмена внутренней энергии при контакте тел с разными температурами).

Т.о. можно говорить о двух формах передачи энергии от одних тел к другим: работе и теплоте. Энергия мех. движения может превращаться в энергию теплового движения и наоборот. При превращениях соблюдается закон сохранения и превращение энергии: применительно к термодинамическим процессам этим законом и является I начало термодинамики.

Допустим, что некоторая система (газ, заключенный в цилиндр под поршнем), обладая внутренней энергией U1, получила некоторое количество теплоты Q и перейдя в новое состояние, характеризующееся внутренней энергией U2, совершила работу А над внешней средой, т.е. против внешних сил. Опыт показывает, что в соответствие с законом сохранения энергии при любом способе перехода системы из первого состояния во второе изменение внутренней энергии DU = U₂ – U₁ будет одинаковым и равным сумме количества теплоты Q, полученным системой, и работы А, совершаемой над системой:

DU = Q + A  

I закон термодинамики: при переходе системы из одного состояния в другое изменение внутренней энергии равно сумме количества теплоты, переданного системе, и работы, совершаемой над системой.

Если система изолирована, то над ней не совершается работа (А=0) и она не обменивается теплотой с окружающими телами (Q=0). В этом случае, согласно I закону термодинамики:

DU = U₂ – U₁ = 0 или U₂ = U₁

Внутренняя энергия изолированной системы остается неизменной (сохраняется).

Часто вместо работы внешних тел над системой рассматривают работу А’ системы над внешними телами. Учитывая, что А’ = – А,  I закон термодинамики можно записать так:

или  Q = DU + A’ (*)

Уравнение * выражает первое начало термодинамики: количество теплоты, переданное системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы над внешними телами.

Выражение * в дифференциальной форме будет иметь вид:

 dQ = dU + dA  или   dQ = dU + dA

где dU – бесконечно малое изменение внутренней энергии системы, dA – элементарная работа, dQ - бесконечно малое количество теплоты.

Количество теплоты выражается в тех же единицах, что работа и энергия – Дж.

Если система периодически возвращается в первоначальное состояние, то изменение ее внутренней энергии DU = 0. Тогда, согласно I началу термодинамики:

А = Q