ПЕРВОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ

Рассмотрим термодинамическую систему, для которой механическая энергия не изменяется, а изменяется лишь ее внутренняя энергия. Внутренняя энергия системы может изменяться в результате различных процессов, например совершения над системой работы и сообщения ей теплоты. Так, вдвигая поршень в цилиндр, в котором находится газ, мы сжимаем этот газ, в результате чего его температура повышается, т. е. тем самым изменяется (увеличивается) внутренняя энергия газа. С другой стороны, температуру газа и его внутреннюю энергию можно повысить за счет сообщения ему некоторого количества теплоты — энергии, переданной системе внешними телами путем теплообмена (процесс обмена внутренними энергиями при контакте тел с разными температурами).

Таким образом, можно говорить о двух формах передачи энергии от одних тел к другим: работе и теплоте. Энергия механического движения может превращаться в энергию теплового движения и наоборот.

При этих превращениях соблюдается закон сохранения и превращения энергии; применительно к термодинамическим процессам этим законом и является первое начало термодинамики, установленное в результате обобщения многовековых опытных данных.

Допустим, что некоторая система (газ, заключенный в цилиндр под поршнем), обладая внутренней энергией U, получила некоторое количество теплоты Q и, перейдя в новое состояние, характеризующееся внутренней энергией U ₂, совершила работу А над внешней средой, т.е. против внешних сил. Количество теплоты считается положительным, когда оно подводится к системе, а работа - положительной, когда система совершает ее против внешних сил. Опыт показывает, что в соответствии с законом сохранения энергии при любом способе перехода системы из первого состояния во второе изменение внутренней энергии D U = U ₂- U ₁будет одинаковым и равным разности между количеством теплоты Q, полученным системой, и работой А,совершенной системой против внешних сил:

D U=Q-A,

или

Q= D U+A.

Это уравнение выражает первое начало термодинамики: теплота, сообщаемая системе, расходуется на изменение ее внутренней энергии и на совершение ею работы против внешних сил.

Из формулы следует, что в СИ количество теплоты выражается в тех же единицах, что работа и энергия, т. е. в джоулях (Дж).

Если система периодически возвращается в первоначальное состояние, то изменение ее внутренней энергии DU= 0. Тогда, согласно первому началу термодинамики,

A=Q,

т. е. вечный двигатель первого рода - периодически действующий двигатель, который совершал бы большую работу, чем сообщенная ему извне энергия, - невозможен (одна из формулировок первого начала термодинамики).

Работа газа при изменении его объема. Для рассмотрения конкретных процессов найдем в общем виде внешнюю работу, совершаемую газом при изменении его объема. Рассмотрим, например, газ, находящийся под поршнем в цилиндрическом сосуде (рис.78). Если газ, расширяясь, передвигает поршень на бесконечно малое расстояние dl, то производит над ним работу d A=Fdl=pSdl=pdV,

где S - площадь поршня, Sdl = dV - изменение объема системы. Таким образом, d A=pdV.

Полную работу А,совершаемую газом при изменении его объема от V ₁до V ₂, найдем интегрированием формулы:

.

Результат интегрирования определяется характером зависимости между давлением и объемом газа. Найденное для работы выражение справедливо при любых изменениях объема твердых, жидких и газообразных тел.

Произведенную при том или ином процессе работу можно изобразить графически с помощью кривой в координатах р, V. Например, изменение давления газа при его расширении изобразится кривой на рис.79. При увеличении объема на dV совершаемая газом работа равна pdV,т.е. определяется площадью полоски с основанием dV на рисунке. Поэтому полная работа, совершаемая газом при расширении от объема V ₁до объема V ₂, определяется площадью, ограниченной осью абсцисс, кривой p = f (V)и прямыми V ₁ и V ₂.

Графически можно изображать только равновесные процессы - процессы, состоящие из последовательности равновесных состояний. Они протекают так, что изменение термодинамических параметров за конечный промежуток времени бесконечно мало. Все реальные процессы неравновесны (они протекают с конечной скоростью), но в ряде случаев неравновесностью реальных процессов можно пренебречь (чем медленнее процесс протекает, тем он ближе к равновесному). В дальнейшем рассматриваемые процессы будем считать равновесными.

РЕЗЮМЕ

- Внутрішня енергія - однозначна функція термодинамічного стану системи, тобто в кожному стані система має цілком певну внутрішню енергію (вона не залежить від того, як система прийшла в даний стан).