Первый закон термодинамики. Первый закон термодинамики представляет собой обобщение закона сохранения энергии и учитывает возможные изменения внутренней энергии

Первый закон термодинамики представляет собой обобщение закона сохранения энергии и учитывает возможные изменения внутренней энергии.

Рассмотрим термодинамическую систему, находящуюся в процессе перехода из начального состояния до конечного, во время которого теплота Q поглощается (или выделяется) и работа А выполняется системой (или над системой). Примером такой термодинамической системы может быть газ, который переходит из начального состояния p_н, V_н до конечного состояния p_к, V_к. Доказано, что в соответствии с законом сохранения энергии во время любого перехода системы из первого состояния во второе изменение внутренней энергии DU = U_к - U_н будет неизменным и равным разности между количеством теплоты Q, получаемой системою, и работой A, производимой системой против внешних сил. Таким образом, величина Q - A определятся полностью начальным и конечным состояниями; называется эта величина изменением внутренней энергии системы DU:

DU = U_к - U_н = Q - A. (8.15)

Здесь A > 0, если работа выполняется системой против внешних сил и A < 0, если работа выполняется над системой.

Переход системы из одного состояния в другое сопровождается изменением DU внутренней энергии. Изменение DU внутренней энергии можно оценить путем измерения теплоты Q, которая поглощается или выделяется системой, и выполненной работой А. На основе последнего уравнения можно сформулировать первый закон термодинамики - теплота, сообщаемая системе, расходуется на изменение внутренней энергии системы и на совершение системой работы против внешних сил:

DU = Q - A. (8.16)

Если система претерпевает бесконечно малые изменения состояния, первый закон термодинамики записывается как:

dU = dQ - dA. (8.17)

(В литературе можно встретить такую форму записи первого закона термодинамики, как dU = dQ - dA, где символы d обозначают, что теплота Q и работа А не являются функциями состояния и, таким образом, не могут быть полными дифференциалами).

Рассмотрим несколько специальных случаев.

1. Изолированная система не взаимодействует с окружающей средой; тепловой поток отсутствует (dQ = 0), работа равна нулю (dА = 0); следовательно DU = 0, то-есть внутренняя энергия изолированной системы остается постоянной (U = const).

2. Циклический процесс, который начинается из одного состояния и заканчивается тем же состоянием, характеризуется изменением внутренней энергии DU = 0, то-есть Q = А. Таким образом, невозможно создать механизм, который бы выполнял работу, превышающую полученную им энергию.

3. Открытая система характеризуется потоком вещества dU_вещ, то-есть dU = dQ + dA + dU_вещ.

Пример

Один грамм воды занимает объем 1 см³ при атмосферном давлении. Во время кипения этого количества воды из нее вышло 1671 см³ пара. Чему равно изменение внутренней энергии в этом процессе?