1.5 Первый закон термодинамики: тепло, внутренняя энергия, работа, связь между ними

Первый закон термодинамики является отображением фундаментального общефизического закона - закона сохранения и преобразование энергии - в случае процессов, в которых задействованы макроскопические системы (т.е. системы, состоящие из большого числа микрочастиц). Такой системой является, в частности, рабочее тело.

1.5.1 Внутренняя энергия

Полную энергию рабочего тела можно разделить на две части. Одну из них составит энергия движения тела как целого и энергия взаимодействия тела с внешними телами. Ее называют внешней энергией. В другую часть, которая называется внутренней энергией, входит энергия хаотичного движения частиц тела и энергия взаимодействия этих частиц между собой. Внутренняя энергия U является функцией состояния рабочего тела, в связи с чем она зависит лишь от параметров состояния - U = U(T,v). Первый закон термодинамики является утверждением об изменении внутренней энергии рабочего тела в термодинамических процессах.

Если рабочее тело не обменивается веществом с окружающей средой, то могут реализоваться лишь две формы обмена энергией этого тела с окружающим миром: теплота и работа.

1.5.2 Теплота и работа расширения

Теплота - форма передачи энергии, определяемая исключительно контактом между телами с разной температурой. В соответствии с законом сохранения энергии, теплота, подводимая к телу фиксированного объема, приводит к росту его внутренней энергии.

Работа - отображает другой механизм передачи энергии. В случае механической работы обязательно имеет место изменение объема.

В общем случае, объем тела при нагревании увеличивается. Если рассматриваемое тело содержится в среде с давлением P_с, то при увеличении объема тела на бесконечно малую величину dV будет осуществляться работа против сил внешнего давления. Ее величина равняется

.

В связи с этим полная работа по изменению объема тела от V₁ к V₂ равняется

.

Работа L против сил внешнего давления, связанная с увеличением объема системы, носит название работы расширения. Работа расширения проводится системой над окружающей средой.

Рисунок 1 – График зависимости давления системы от ее объема в термодинамическом процессе 1-2 Вся закрашенная площадь соответствует полной работе процесса L, темному прямоугольнику соответствует элементарная работа δL = P(V)∙dV.

В случае равновесного процесса справедливо равенство P = P_c, где P - давление в середине системы. В этом случае

δL = P∙dV,

т.е.

. (15)

Работа расширения отображается площадью под кривой процесса на -диаграмме. Смотри рисунок 1.

Важно подчеркнуть, что работа расширения системы от состояния 1 к состоянию 2 зависит не только от этих состояний, но и от того, по какому пути осуществляется процесс расширения.

1.5.3 Уравнение первого закона термодинамики для закрытой системы

В общем случае в термодинамическом процессе, вследствие подведения теплоты к телу, температура тела изменяется, кроме того, вследствие изменения объема тела, проводится работа. Согласно закону сохранения энергии тепло идет на изменение внутренней энергии тела и на выполнение работы. Это и есть первый закон термодинамики. Сказанное может быть выраженное уравнением:

, (16)

где q – теплота, которая передана телу при нагревании от состояния 1 к состоянию 2;

u_1-2  u₂ – u₁ - изменение внутренней энергии тела в том же процессе, которое равняется разности внутренней энергии в состояниях 1 и 2;

l - работа, проводимая телом в процессе 1-2.

Форма записи (16) предполагает, что подводимая к рабочему телу теплота является положительной, а теплота, которая отводится, - отрицательная.

В удельных величинах последнее уравнение имеет вид:

,

а в дифференциальной форме выглядит как

.