6. Первое начало термодинамики

6.1. Уравнение первого закона термодинамики

Любое физическое тело, в частности рабочее тело – газ и пар, обладает внутренней энергией. Количество её не является постоянным. При взаимодействии с другими телами, например с внешней средой, внутренняя энергия рабочего тела может уменьшаться или увеличиваться. Это взаимодействие проявляется в двух формах: в форме теплоты путём теплообмена и в форме механической работы.

В случае теплообмена теплота может подводиться из внешней среды к рабочему телу или отводится от него во внешнюю среду. В первом случае внутренняя энергия рабочего тела увеличивается, во втором – уменьшается.

При механической работе рабочее тело может расширяться, т.е. производить работу за счёт своей внутренней энергии, которая при этом будет уменьшаться. Или рабочее тело будет сжиматься, для чего потребуется совершение работы сжатия внешней среды. При этом внутренняя энергия рабочего тела увеличится. Работа расширения и сжатия называется работой изменения объёма.

Во всех случаях общее количество внутренней энергии всех тел, участвующих во взаимодействии, если они образуют изолированную систему, остаётся постоянным, что следует из всеобщего закона сохранения и превращении энергии, согласно которому она при всех превращениях не исчезает и не создаётся, а лишь переходит их одного вида в другой.

П ервым, кто пришёл к выводу о сохранении и превращении энергии был М.В. Ломоносов.

Рассмотрим случай, когда к цилиндру с поршнем (рис. 6.1) подводится некоторое количество энергии в форме теплоты (q).

Теплота будет затрачиваться на повышение внутренней энергии рабочего тела (Δи) и на совершения работы поршня (l). Заметим, что в этом случае ни подводимое тепло (q), ни отводимое количество механической энергии не являются функциями состояния рабочего тела. Функцией состояния является лишь его внутренняя энергия, изменение которой в процессе равно:

Δи = и_{2 –} и₁,

где Δи – изменение внутренней энергии, Дж/кг.

Так как в термодинамике приходится пользоваться как удельными, так и абсолютными величинами, удельные будем обозначать строчными буквами (маленькими), а абсолютные – прописными (большими).

Для рассматриваемого случая балансовое уравнение первого закона термодинамики выглядит следующим образом:

; (6.1)

. (6.2)

В дифференциальной форме эти уравнения имеют вид:

.

Из выражений (6.1) и (6.2) видно, что вся подведённая к рабочему телу теплота расходуется на изменение внутренней энергии и на совершение работы изменения объёма.

Для определения знака каждой из этих величин руководствуются следующими правилами:

1. внешняя теплота ( ) является положительной, если она подводится к рабочему телу и отрицательной, если отводится от него;

2. работа изменения объёма ( ) будет положительной, если она совершается рабочим телом (т.е. когда рабочее тело расширяется);

3. изменение внутренней энергии является положительной величиной, если эта энергия увеличивается. В этом случае в конце процесса 1 – 2 конечное значение внутренней энергии должно быть больше начального, т.е. > , а поэтому разность – > 0. Если же в процессе 1 – 2 внутренняя энергия уменьшается, значит, < и, следовательно, – < 0.

Из уравнения первого начала термодинамики следует также, что невозможно создать вечный двигатель первого рода, т.е. двигатель, который производил бы работу без затраты энергии.