4. Первое начало термодинамики

Первое начало термодинамики - это закон сохранения и превращения энергии в термодинамических процессах.

Изменить внутреннюю энергию системы можно двумя способами: совершая над системой работу (например, сжимая газ в цилиндре с помощью поршня) или сообщая системе теплоту (например, нагревая газ в герметичном сосуде).

Рассмотрим замкнутую, макроскопически неподвижную систему, не находящуюся во внешних силовых полях и проанализируем с энергетической точки зрения равновесный процесс перехода системы из какого-либо начального состояния 1 в другое состояние 2.

Изменение внутренней энергии системы ΔU = U₂ - U_l в таком процессе равно разности между количеством теплоты Q, полученным системой, и работой А, совершенной системой против внешних сил ΔU = Q - A или Q = ΔU + A.

Первое начало термодинамики:

Теплота, сообщаемая системе, расходуется на изменение ее внут- ренней энергии и на совершение ею работы против внешних сил.

В дифференциальной форме: dQ = dU + dΑ,

где dU (полный дифференциал) — бесконечно малое изменение внутренней энергии системы, dΑ — элементарная работа, dQ — бесконечно малое количество теплоты. dΑ и dQ не являются полными дифференциалами.

Дело в том, что внутренняя энергия системы является однозначной функцией состояния системы. Отсюда следует, что при совершении системой произвольного процесса, в результате которого она вновь возвращается в исходное состояние, полное изменение внутренней энергии системы равно нулю.

.

Ни работа, ни теплота не являются функциями состояния системы. Все величины входящие в первое начало термодинамики могут быть как положительными, так и отрицательными.

Если к системе подводится теплота, то δQ > 0;

если от системы отводится теплота, то δQ < 0.

Если система совершает работу над внешними телами, то δΑ > 0, если же над системой внешние силы совершают работу, то δΑ < 0.

Другая формулировка первого начала термодинамики связана с тем, что если система периодически возвращается в первоначальное состояние, и следовательно ΔU = 0, то А = Q,

Т. е. вечный двигатель первого рода — периодически действующий двигатель, который совершал бы большую работу, чем сообщенная ему извне энергия, — невозможен. Т.е. невозможно, чтобы А > Q.

5. Работа газа при его расширении. (См. рис.)

Если находящийся под поршнем в цилиндрическом сосуде, газ, расширяясь, передвигает поршень на расстояние dl, то производит над ним работу

δΑ = Fdl = pS dl = pdV,

где S — площадь поршня.

Полная работа А, совершаемая газом при изменении его объема от V_l до V₂:

Равновесные процессы – это процессы, состоящие из последовательности равновесных состояний. Они протекают так, что изменение термодинамических параметров за конечный промежуток времени бесконечно мало.

Все реальные процессы неравновесны, но в ряде случаев (достаточно медленные процессы) неравновесностью реальных процессов можно пренебречь.

Равновесные процессы можно изображать графи­чески в координатах (p,V). Так работа δΑ = p∙dV определяется площадью заштрихованной полоски, а полная работа — площадью под кривой между V₁ и V₂.

При неравновесных процессах значения параметров в разных частях системы различны и не существует (p,V)-точек, характеризующих состояние всей системы. Поэтому графическое изображение неравновесного процесса невозможно.