2.6. Первый закон термодинамики

П ервый закон термодинамики – это закон сохранения энергии в тепломеханических процессах.

Рассмотрим ТД систему, например, газ, заключённый в некотором объёме V. И пусть U – внутренняя энергия газа. Эту энергию можно увеличить двумя способами:

1) механическим, т. е. путём сжатия газа и совершения над ним работы А′ (рис. 2.8, а);

2) немеханическим способом, который называется теплопередачей, т. е. путём нагревания газа его контактом с более горячим телом; в этом случае говорят, что газу передаётся некоторая теплота Q (рис. 2.8, б).

В процессе теплопередачи работу над системой совершают не макроскопические внешние тела (поршень), а быстрые молекулы горячего тела над более медленными молекулами нашей системы, увеличивая их кинетическую энергию.

Замечание. Теплопередача может происходить не только контактно, но и через излучение. Но в этом случае её механизм более сложен, и мы его рассматривать не будем.

В общем случае поступления энергии в систему по обоим каналам

ΔU = А′ + Q, (2.3)

где А′ − совершённая над системой механическая работа,

Q – сообщённая системе теплота.

Уравнение (2.3) выражает первый закон термодинамики: приращение внутренней энергии системы равно сумме совершённой над системой работы А′ и некоторой добавки Q, называемой теплотой, сообщённой системе.

Так как А′=−А, где А – работа системы, то первый закон термодинамики можно представить в виде:

Q = ΔU + A. (2.4)

Практически это более удобная форма его записи, и тогда он будет читаться так: теплота, сообщённая системе, идёт на увеличение её внутренней энергии ΔU плюс на совершение системой работы А над внешней средой.

Для элементарных процессов энергообмена соотношение (2.4) примет вид:

dQ = dU + dA,

или

dQ = dU + рdV,

где dV – приращение объёма,

dU – приращение внутренней энергии системы (полный дифференциал).

dQ − элементарная теплота (не приращение!),

dA = рdV – элементарная работа (не приращение!).

Как и работа, теплота Q в системе СИ измеряется в джоулях. Но иногда пользуются и внесистемной единицей – калорией: 1 кал – это теплота, необходимая для нагревания 1 г воды на 1°С от 19,5 до 20,5°С. Опытным путём установлено, что 1 кал = 4,18 Дж.

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

Итак, работа А и теплота Q – это две формы энергообмена между телами – механическая и немеханическая. Работа и теплота зависят от пути процесса, проводимого над системой, и поэтому А и Q не являются функциями её состояния. А и Q – это процессы, а не состояния. Нельзя говорить о «запасе работы» или о «запасе теплоты» в системе, ибо для данного состояния системы эти величины не определены. Внутренняя же энергия U является функцией состояния системы, так как она однозначно определяется параметрами её состояния р, V и Т: U = U(р, V , Т). Поэтому правильно говорить о запасе внутренней энергии U в системе.

Замечание. У твёрдых и жидких тел при изменении давления и температуры объём практически не меняется, значит, А≈0 и, следовательно, Q = ΔU. В этом случае можно говорить о запасе теплоты в теле.