Первый закон термодинамики

Энергия замкнутой системы взаимодействующих между собой тел, зависящая от их скоростей, положения, температуры, формы, химического состава и т.п., остаётся неизменной.

Молекулярная физика объясняет свойства тела, рассматривая движение молекул или атомов, из которых оно состоит, и взаимодействие между ними. Однако во многих случаях характеристики движения и взаимодействия между частицами тела остаются неизвестными, и тогда для описания свойств тела используют его макроскопические параметры, например, давление, внутреннюю энергию, температуру и объём. Раздел физики, изучающий тепловые процессы без использования характеристик движения и взаимодействия молекул или атомов, называют термодинамикой. Закон сохранения и превращения энергии в замкнутых системах применительно к тепловым явлениям называют первым законом термодинамики. Этот закон впервые был сформулирован немецкими учёными Г. Гельмгольцем и Р. Майером, а также английским учёным Д. Джоулем.

Внутренняя энергия любого тела может изменяться либо путём теплообмена с другими телами, либо в результате совершения работы над этим телом. Однако согласно первому закону термодинамики изменение внутренней тела, D U, при переходе из одного состояния в другое должно быть равно сумме количества теплоты, Q, перешедшего к телу, и работы, А, совершённой над телом внешними силами. Поэтому первый закон термодинамики применительно к данному телу может быть записан в следующей форме:

D U = Q + A. (51)

Во многих случаях при переходе из одного состояния в другое само тело совершает работу А ₁. Так как А ₁= - А, то для этих случаев уравнение (30.1) удобно переписать в виде:

Q = D U + A ₁. (52)

Таким образом, количество теплоты, перешедшее к телу, расходуется на изменение его внутренней энергии и работу, которую оно совершает.

Первый закон термодинамики делает невозможным создание вечного двигателя – механизма, способного совершать работу без каких либо затрат внешней энергии и изменений внутренней энергии механизма. Согласно уравнению (52), если механизм представляет собой замкнутую систему (Q =0), то максимальная работа, которую он может совершить, равна его внутренней энергии. Поэтому вечные двигатели невозможны.

Запишем первый закон термодинамики для идеального газа, расширяющегося под поршнем в изотермическом процессе. Как было показано внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры, а значит, при изотермическом процессе его внутренняя энергия не изменяется. Подставляя D U =0 в (52), получаем, что A ₁= Q. Таким образом, работа, совершённая расширяющимся газом при изотермическом процессе, равна количеству теплоты, которое газ получил извне.

Работа, совершаемая газом при расширении, зависит от его давления, p, и объёма, V, следующим образом. Пусть газ в цилиндре расширился, приподняв чуть-чуть поршень на D h. Если площадь поршня равна S, то сила, F, действующая снизу на поршень со стороны газа, равна pS, и поэтому работа A ₁, совершаемая газом при движении поршня, составляет:

A ₁= F ^.D h = pS ^.D h = p ^.D V, (53)

где D V – изменение объёма газа, произошедшее при подъёме поршня на D h. Если построить график зависимости давления p, газа от его объёма V, между его состояниями 1 и 2, то согласно (53) работа, совершаемая газом, при его расширении на D V, будет равна заштрихованной площади под кривой графика. Тогда очевидно, что работа газа между состояниями 1 и 2 равна площади под всей кривой на графике.