Первый закон термодинамики. Любая система обладает энергией

Любая система обладает энергией. Энергия – есть качественная и количественная характеристика движения и взаимодействия объектов материального мира.

Твердые тела, жидкости и газы проявляют разнообразные свойства, зависящие от природы атомов и молекул, составляющих эти тела. Они способны обмениваться энергией с окружающей средой, изменять агрегатное состояние в результате фазовых переходов или химический состав в результате реакций, проявлять (или не проявлять) ионную и электронную проводимость, разную степень теплопроводности, теплоемкости и бесчисленное число других физико-химических свойств. Процесс изменения физико-химического состояния вещества подчиняется фундаментальному закону сохранения энергии: энергия не возникает из ничего и не исчезает бесследно; она лишь превращается из одних видов в другие в строго эквивалентных количествах. Закон есть результат многовековых наблюдений, подтверждается экспериментальными данными и не имеет исключений.

Первый закон термодинамики есть частный случай закона сохранения энергии. Он применим к тепловым процессам, в которых обмен системы энергией с окружающей средой осуществляется в форме теплоты Q и работы А.

Рассмотрим систему, представляющую собой идеальный газ в цилиндре под поршнем (рис. 35). Внешним источником энергии для такой системы выступает нагреватель. Пусть нагреватель передает идеальному газу некоторое количество энергии в форме теплоты Q [Дж]. В результате такого воздействия увеличивается внутренняя энергия системы D U (поднимается температура газа) и совершается работа А перемещения груза на некоторую высоту. В соответствии с законом сохранения энергии получаем:

Q = D U + А (4.6)

Уравнение (4.6) является аналитическим выражением первого закона термодинамики: энергия, полученная (отданная) системой в форме теплоты, равна алгебраической сумме изменения её внутренней энергии и совершенной ею (над ней) работы.

Рис. 35. Изменение энергетического состояния системы (газ в цилиндре под поршнем) при нагревании

Формулировка первого закона указывает, что движение энергии возможно в любых направлениях и к системе, и от неё. На рис. 36 демонстрируются принятые в термодинамике знаки для работы, теплоты и внутренней энергии.

Пример. При сгорании 10 л бензина в автомобильном двигателе выделилось энергии в форме теплоты Q (горение) = 460× 10³ кДж. На нагревание окружающей среды (раскаленные выхлопные газы) затрачено энергии в форме теплоты Q (окр. среда) = 345× 10³ кДж. Часть энергии сгоревшего бензина израсходована на увеличение внутренней энергии D U = 10× 10³ кДж (нагревание двигателя). Вычислить количество бензина, израсходованное на движение автомобиля. И определить коэффициент полезного действия машины, работающей на бензине.