Первое начало термодинамики как закон сохранения энергии.

Закон сохранения механической энергии не является столь же универсальным, как законы сохранения импульса и момента импульса. Требование, чтобы в системе присутствовали только консервативные силы, в реальных системах невыполнимо. Как учесть потери механической энергии и что с ней происходит?

Опыт показывает, что в результате трения тела нагреваются, т.е. изменяется внутреннее состояние вещества. Еще М.В.Ломоносовым установлено, что при нагревании увеличивается интенсивность движения молекул, составляющих тело, а мерой кинетической энергии молекул является температура.

Таким образом, трение в механической системе приводит к тому, что механическая энергия частично или полностью переходит во внутреннюю тепловую энергию U (по сути, также механическую – кинетическую энергию движения молекул, составляющих тело).

Понятие внутренней энергии справедливо только для равновесных систем, для которых определено понятие «состояние». Функция U зависит только от состояния системы в данный момент и не зависит от предшествующих состояний. Говорят, что внутренняя энергия U является функцией состояния системы.

.

Если система путем теплопередачи получила некоторое количество теплоты dQ, ее внутренняя энергия увеличится. А если она совершит положительную работу dА = pdV, то внутренняя энергия уменьшится:

, или

. (*)

Выражение (*) называется 1 началом термодинамики и представляет собой закон сохранения энергии в термодинамическом процессе: теплота, полученная системой, расходуется на изменение ее внутренней энергии и совершение ею работы. Все величины в (*) могут быть и положительны, и отрицательны, и равны 0.

Еще одна формулировка 1 начала звучит так: невозможен вечный двигатель 1 рода, который совершал бы работу за счет полученной извне теплоты. Действительно, в конце цикла DU=0, А=Q, т.е. в точности равна затратам энергии, а не превышает их.

Заметим, что 1 начало термодинамики не указывает на направление процесса. Например, ему не противоречит такая ситуация: система получила 10 Дж теплоты, при этом она совершила работу 15 Дж, а ее внутренняя энергия уменьшилась на 5 Дж:

10 = -5 + 15 (Дж).

Система совершила работу большую, чем подведенная к ней энергия, за счет своего охлаждения. Опыт показывает, что такие ситуации не реализуются.