Первое начало термодинамики как закон сохранения энергии в тепловых процессах

2.1. Внутренняя энергия.

Внутренняя энергия термодинамической системы складывается из кинетической энергии хаотического движения молекул (), потенциальной энергии взаимодействия между ними и внутримолекулярной энергии ():

(4)

Величина в свою очередь определяется энергией электронных оболочек атомов и ионов, энергией движения и взаимодействия протонов и нейтронов в ядрах атомов.

Изменение внутренней энергии при переходе системы из состояния 1 в состояние 2, не зависит от вида процесса перехода и определяется разностью внутренних энергий в состояниях 1 и 2: . В термодинамике такие величины называются функциями состояния.

В термодинамике в основном рассматриваются процессы, связанные с изменением внутренней энергии. Если в системе не происходят химические или ядерные реакции, третье слагаемое в (4) можно не рассматривать. В идеальном газе, , и под внутренней энергией идеального газа понимается суммарная кинетическая энергия его молекул.

 

2.2.Работа и теплота.

Одним из способов изменения внутренней энергии является теплопередача.

Теплопередача (теплоообмен)- процесс передачи энергии от одного тела к другому без совершения работы.

При этом переданное количество энергии называется теплотой. Тело, которое служит для передачи энергии термодинамической системе называется тепловым резервуаром, при этом если в процессе теплопередачи температура теплового резервуара не изменяется, его называют термостатом. В системе СИ количество теплоты измеряют в джоулях

Определим работу газа.

Рис.5. К понятию работы газа.

 

Из рис.5 следует, что элементарная работа газа при его расширении:

(5)

Знак , в отличие от знака дифференциала подчеркивает, что работа в термодинамике не является функцией состояния (в отличие от внутренней энергии). При переходе системы из состояния 1 в состояние 2, Интеграл от уравнения (5) дает выражение для соответствующей работы:

(6)

2.3. Формулировка первого начала термодинамики.

С учетом введенных понятий, сформулируем первое начало термодинамики:

Первое начало термодинамики: Теплота, полученная системой, идет на приращение ее внутренней энергии и на совершение работы над внешними телами.

Рис.6. К иллюстрации первого начала термодинамики.

 

Для однозначной интерпретации первого начала, необходимо определить выбор знаков слагаемых. Полагают, что теплота, сообщенная системе, берется со знаком «+», отведенная со знаком «-». Работа, совершенная системой над внешними телами, принимается положительной, работа, совершенная внешними телами над системой принимается отрицательной. Первое начало можно сформулировать и таким образом:

(7)