Первый закон термодинамики

Как известно, энергия не исчезает и не возникает из ничего, а только переходит из одной формы в другую. В 1842 г. Р. Майер установил эквивалентность теплоты и механической работы, не зависящую от характера процесса превращения энергии:

, (48)

где А – постоянная величина, называемая тепловым эквивалентом работы.

А величина размерная и зависит от системы единиц, выбранных для измерения теплоты и работы. Если теплота и работа выражаются в одних единицах (джоулях), то эквивалент равен единице и тогда Q=L.

Так как подведенная к системе теплота приводит в общем случае к изменению внутренней энергии системы и совершению внешней работы, на основе закона сохранения энергии первый закон термодинамики для изолированных систем можно записать:

. (49)

Из полученного уравнения следует, что подведенная к изолированной системе теплота расходуется на изменение внутренней энергии и совершение внешней работы или без подвода теплоты внешняя работа может совершаться только за счет внутренней энергии системы.

Уравнение (49) показывает также, что подвод теплоты к термодинамической системе определяется термодинамическим процессом, т.е. внешняя работа зависит от характера процесса.

В изолированной системе запас энергии не изменяется, поэтому совершение работы возможно в течение некоторого времени только в неравновесном процессе (механическом, термическом, химическом, ядерном) за счет уменьшения внутренней энергии. Нельзя получать работу от тел, находящихся, например, в температурном равновесии, хотя эти тела обладают определенным запасом внутренней энергии.

Отсюда видна невозможность создания вечного двигателя первого рода, который производил бы работу без внешнего источника энергии и вечного двигателя второго рода, совершающего работу с рабочим телом, находящимся в тепловом равновесии.

В открытых системах подвод теплоты может привести не только к изменению параметров состояния самого рабочего тела (в частности полной внутренней энергии рабочего тела), но и к изменению кинетической и потенциальной энергий внешней среды (поскольку открытые системы, как отмечено ранее, обмениваются с окружающей средой не только веществом, но и энергией):

(50)

где – скорость движения рабочего тела, м/с;

– ускорение свободного падения, м/с²;

– изменение уровня центра инерции рабочего тела, м.

Особенно четко это проявляется при движении рабочего тела, например, по движущимся каналам между лопатками турбин. Внешняя работа в этом случае расходуется на работу вытеснения рабочего тела по каналу и на техническую работу перемещения самого канала в пространстве под действием сил, нормальных к стенкам канала. Таким образом при видимом движении рабочего тела в открытых системах:

. (51)

С учетом изложенного первый закон термодинамики для открытых систем можно выразить следующим уравнением:

. (52)

Таким образом, согласно выражению (52) подведенная к открытой системе теплота расходуется на изменение внутренней энергии рабочего тела, кинетической и потенциальной энергий внешней среды и на совершение истинной и технической работы.