Первое начало термодинамики

Первое начало термодинамики является обобщением закона сохранения механической энергии на тепловые процессы. Заметим, что механическая энергия – один из видов энергии. Под энергией понимают универсальную меру количества любых видов движения материи (отсюда и многообразие видов энергии). Исторически установление первого начала термодинамики (закона сохранения энергии) было связано с неудачами построения вечного двигателя 1 рода: такой машины, которая совершала бы работу, не затрачивая при этом никакого вида энергии и не получая извне тепла.

Количественная формулировка закона сохранения энергии была дана Майером, Джоулем и Гемгольцем независимо друг от друга после исследования многих процессов, связанных с взаимным превращением различных видов энергии.

Перейдём к формулировке первого начала термодинамики.

При разнообразных процессах, протекающих в природе, энергия не возникает из ничего и не уничтожается, но превращается лишь из одних видов в другие.

Чтобы записать I начало в математической форме, рассмотрим, как происходит изменение внутренней энергии системы. Предположим, что рассматриваемая система – идеальный газ. Внутренняя энергия газа будет повышаться при его нагревании, то есть при сообщении газу теплоты. Таким образом, одним способом изменения внутренней энергии системы является подвод к ней или отвод от неё количества теплоты. Вторым способом является совершение системой некоторой работы, или совершение работы над системой: при сжатии газа он нагревается, если дать ему возможность расширяться – он охлаждается, и энергия его в первом случае возрастает, а во втором – уменьшается.

Итак, передача теплоты и совершение работы – это две формы движения материи, в результате которых и только благодаря которым изменяется внутренняя энергия системы.

Тогда закон сохранения энергии можно записать так:

dU=dQ+dA , (1)

где dU – изменение внутренней энергии системы, dA – работа, совершённая над системой, dQ – подведённая к системе теплота.

При круговом процессе, то есть таком, в результате которого система возвращается в исходное состояние, энергия остаётся постоянной.

Тогда в (1) dU – полный дифференциал (так как при круговом процессе dU=0), dA при круговом процессе ≠0 и dA не будет полным дифференциалом. Следовательно, и dQ≠0 и не является полным дифференциалом. То есть ни работа, ни количества переданного тепла не тождественны энергии. Если работу совершает система, то (1) запишется так: dQ=dU+dA. (2)

Количество тепла, переданное системе, идёт на увеличение её внутренней энергии и на работу, совершаемую силами, приложенными со стороны системы к внешним телам.

Для того чтобы подчеркнуть, что dA и dQ не являются полными дифференциалами, их записывают так: d'A и d'Q либо так: и . Тогда I начало записывают в виде dU=d'Q+d'A или .

Первое начало можно сформулировать и так:

Невозможно построить перпетуум мобиле I рода, то есть такой периодически действующий двигатель, который производил бы за один период работу в количестве большем, чем количество поглощаемой им извне энергии.

Действительно, при возвращении системы в исходное состояние её энергия принимает прежнее значение. Поэтому для периодически действующей машины к концу каждого периода dU=0 и совершённая ею работа может быть получена лишь за счёт подведённого извне тепла или за счёт других источников энергии.