2.6. Первый закон термодинамики (§ 83)

Первый закон термодинамики – это закон сохранения энергии в тепломеханических процессах.

Рассмотрим ТД систему, например, газ, заключённый в некотором объёме V. И пусть U – внутренняя энергия газа. Эту энергию можно увеличить двумя способами:

1) механическим, т.е. путём сжатия газа и совершения над ним работы А′ (рис. 8,а);

2) немеханическим способом, который называется теплопередачей, т.е. путём нагревания газа его контактом с более горячим телом; в этом случае говорят, что газу передаётся некоторая теплота Q (рис. 8,б).

В процессе теплопередачи работу над системой совершают не макроскопические внешние тела (поршень), а быстрые молекулы горячего тела над более медленными молекулами нашей системы, увеличивая их кинетическую энергию.

Замечание. Теплопередача может происходить не только контактно, но и через излучение. Но в этом случае её механизм более сложен, и мы его рассматривать не будем.

В общем случае поступления энергии в систему по обоим каналам

ΔU=А′+Q, (3)

где А′ − совершённая над системой механическая работа,

Q – сообщённая системе теплота.

Уравнение (3) выражает первый закон термодинамики: приращение внутренней энергии системы равно сумме совершённой над системой работы А′ и некоторой добавки Q, называемой теплотой, сообщённой системе.

Замечание. Если работа над системой определяется как интеграл

А′=−,

то соотношение (3) формально можно рассматривать как определение теплоты Q.

Так как А′=−А, где А – работа системы, то первый закон термодинамики можно представить в виде:

Q=ΔU+A. (4)

Практически это более удобная форма его записи, и тогда он будет читаться так: теплота, сообщённая системе, идёт на увеличение её внутренней энергии ΔU плюс на совершение системой работы А над внешней средой.

Для элементарных процессов энергообмена соотношение (4) примет вид: dQ=dU+dA,

или dQ=dU+рdV,

где dV – приращение объёма,

dU – приращение внутренней энергии системы (полный дифференциал).

dQ − элементарная теплота (не приращение!),

dA=рdV – элементарная работа (не приращение!).

Как и работа, теплота Q в системе СИ измеряется в джоулях. Но иногда пользуются и внесистемной единицей – калорией: 1 кал – это теплота, необходимая для нагревания 1 г воды на 1°С от 19,5 до 20,5°С. Опытным путём установлено, что

1 кал=4,18 Дж (Джоуль, Майер, 1842 г.).

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

Итак, работа А и теплота Q – это две формы энергообмена между телами – механическая и немеханическая. Работа и теплота зависят от пути процесса, проводимого над системой, и поэтому А и Q не являются функциями её состояния. А и Q – это процессы, а не состояния. Нельзя говорить о «запасе работы» или о «запасе теплоты» в системе, ибо для данного состояния системы эти величины не определены. Внутренняя же энергия U является функцией состояния системы, так как она однозначно определяется параметрами её состояния р, V и Т: U=U(р,V,Т). Поэтому правильно говорить о запасе внутренней энергии U в системе.

Замечание. У твёрдых и жидких тел при изменении давления и температуры объём практически не меняется, значит, А≈0 и, следовательно, Q=ΔU. В этом случае можно говорить о запасе теплоты в теле.