1.2. Первый и второй законы термодинамики

Первый закон термодинамики устанавливает взаимосвязь между теплотой Q, работой 1 и изменением энергии Е термодинамической системы.

Работа и теплота

При любом термодинамическом процессе обмен энергией системы Е с окружающей средой происходит в форме теплоты или механической работы. В первом случае обмен осуществляется при контакте тел с различной температурой. Энергия передается на молекулярном уровне от более нагретого тела к холодному. Количество подведенной или отведенной теплоты обозначают буквой Q, Дж.

Если теплоту относят к 1 кг массы, то ее количество обозначают через q, Дж/кг и называют удельной теплотой.

Второй способ передачи энергии происходит при изменении объема тела V. Количество переданной энергии соответствует работе расширения, совершенной над телом или затраченной им. Величину работы расширения обозначают буквой L, Дж, а отнесенное к единице массы ее количество l, Дж/кг - удельной работой.

Работа расширения газа в процессе определяется по формуле

или (1.6)

Если dV > 0, то L > 0 , т. е. при расширении работа тела положительна, при этом тело само совершает работу над окружающей средой; если dV < 0, то L < 0, т. е. при сжатии работа отрицательна, это значит , что не система совершает работу, а на ее сжатие затрачивается работа извне.

Любая термодинамическая система обладает запасом энергии, которую называют внутренней энергией системы U. Под внутренней энергией U понимают кинетическую энергию хаотического движения молекул и атомов, а также потенциальную энергию сил взаимодействия между молекулами.

Для задач технической термодинамики важно не абсолютное значение внутренней энергии, а ее изменение в различных термодинамических системах. В свою очередь, изменение внутренней энергии определяется только начальным и конечным состояниями системы:

ΔU = U₂ – U₁, Дж. или Δu = u₂ – u₁, Дж/кг. (1.7)

При одновременном тепловом и механическом взаимодействиях системы со средой изменение внутренней энергии будет зависеть как от количества подведенной (отведенной) теплоты, так и от произведенной системой работы, т. е.

q = l + Δu. (1.8)

Уравнение (1.8) называют уравнением первого закона термодинамики. Теплота, сообщаемая системе, идет на приращение ее внутренней энергии и на совершение внешней работы.

В дифференциальной форме уравнение первого закона термодинамики имеет вид

dq = du + dl = du + рdν. (1.9)

Выражение (1.9) можно записать в другой форме, если ввести функцию h = u + pν, называемую энтальпией системы, Дж/кг. Энтальпия, составленная из параметров состояния, также является параметром состояния, имеет полный дифференциал dh:

dh = du + pdν + νdp или du +pdν = dh – νdp (1.10)

Подставляя (1.10) в соотношение (1.9), получаем выражение первого закона через энтальпию h:

dq = dh – νdp. (1.11)

Для основных термодинамических процессов из соотношения (1.9) можно получить частные случаи первого закона.

При q = 0 (адиабатный процесс)

dl = -du или - dl = du; (1.12)

dv = 0 (изохорный процесс)

dq = du (1.13)

dp = 0 (изобарный процесс)

dq = du + dl; (1.14)

dT = 0 (изотермический процесс)

dq = dl. (1.15)