§ 2. Уравнение первого закона термодинамики
Уравнение первого закона термодинамики выражает те изменения, которые вызываются в термодинамической системе (рабочем теле) при подводе к ней некоторого количества энергии.
Предположим, что взаимопреобразование происходит в закрытой системе только между теплотой и механической работой, т. е. исключаются случаи возникновения при этом таких видов работы, как электрическая, химическая, световая и др. Изменением потенциальной энергии, связанной с положением тела в пространстве, пренебрегаем. Тело считаем неподвижным.
Пусть
телу массой т
сообщается
некоторое количество теплоты
Эта
теплота
меняет состояние тела (вызывает в нем
изменение температуры и объема).
При
этом: изменится кинетическая энергия
молекул, на что израсходуется часть
подведенной теплоты—
изменится
потенциальная энергия, связанная с
силами взаимодействия между молекулами—
газ
совершит работу против внешних сил,
равную
.
Запишем дифференциальное уравнение
баланса энергии
(4.6)'
Рассмотрим это уравнение первого закона термодинамики. В этом уравнении изменение внутренней энергии тела равно
Элементарная деформационная работа газа, как было показано ранее,
Уравнение (4.6) можно переписать в виде
(4.7)
Для 1 кг рабочего тела это уравнение записывается
так как
Таким образом, при принятых допущениях первый закон термодинамики говорит о том, что подводимая извне теплота идет на изменение внутренней энергии тела и на работу расширения.
Полный дифференциал внутренней энергии
(4.10)
Подставим
это выражение в уравнение (4.9) с учетом
элементарного количества теплоты,
подводимого в процессе
Тогда
(4.11)
откуда
(4.12)
В
уравнении (4.12) величины
определяют
состояние тела, а
—
процесс изменения состояния.
В
процессе
удельная теплоемкость
(4.13)
Для
идеального газа, у которого внутренняя
энергия зависит только от температуры
частная
производная совпадает с полной производной
от внутренней энергии по температуре
и
(4.14)
Уравнение первого закона термодинамики запишем в виде
(4.15)
а в
интегральной форме, полагая
(4.16)
Уравнение первого закона термодинамики можно представить в другом виде.
Прибавим
и отнимем в правой части уравнения (4.7)
член
тогда
или для 1 кг рабочего тела
(4.18)
Полный дифференциал энтальпии для 1 кг газа равен
(4.19)
Подставим
выражение (4.19) в уравнение первого закона
(4.18) считая
В
уравнении (4.21) производная
определяет процесс изменения состояния
тела (системы).
В
изобарном процессе
а
удельная теплоемкость
равна
-.
,
(4.22)
для
идеального газа, когда
(4.23)
Уравнение (4.18) перепишем в виде
(4.24)
и в
интегральной форме, полагая
(4.25)
Уравнения (4.9), (4.15) и (4.18), (4.24) являются основными уравнениями при рассмотрении термодинамических процессов.
Связь
между
может
быть определена следующим образом.
По первому закону термодинамики
(4.26)
а
количество теплоты, подведенной
(отведенной) в процессе
равно
(4.27)
Подставим
выражения (4.27) в (4.26) и, полагая, что у
идеального газа
получим
Для
процесса
используя
уравнения идеального газа
найдем,
что
тогда уравнение Майера примет вид
(4.28)
или
(4.29)
