3.1.4. Основные законы (начала) термодинамики.

Основные законы (начала) термодинамики представляют собой результат обобщения громадного объема статистического и экспериментального материала, итог всего многовекового развития естествознания.

Их основа – вся совокупность законов сохранения, материи и движения, первую обобщенную и развернутую формулировку которых дал наш соотечественник М.В.Ломоносов:

«…Все перемены в натуре случающиеся, такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимется, столько присовокупится к другому телу, так ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте… Сей всеобщий естественный закон простирается и в самые правила движения; ибо тело, движущее своею силою другое, столько же оныя у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает»¹².

И хотя в данном случае рассматриваемые начала сформулированы применительно к решению термодинамических задач, их обобщение на исследование всех вообще систем, позволяет сформулировать наиболее общие законы системной динамики не только на качественном уровне, как, например, законы диалектики, но и количественно.

Здесь мы рассмотрим термодинамическую трактовку законов.

1) Нулевое начало термодинамики.

Формулировка: При неизменных внешних условиях температура всех частей системы, находящейся в равновесии выравнивается.

Температура есть единственный термодинамический параметр, который одинаков для всех частей изолированной системы, находящейся в состоянии термодинамического равновесия.

2) Первое начало термодинамики.

1. Первое начало термодинамики относится к одному из фундаментальнейших законов физики макросистем. Оно является обобщением большого экспериментального материала и представляет собой, по сути, обобщенный закон сохранения энергии на тепловые процессы в самом общем виде

Этот закон содержит три величины: внутреннюю энергию , работу и теплоту , физическая сущность которых нами рассмотрена ранее.

Первое начало термодинамики утверждает, что приращение внутренней энергии макросистемы при ее переходе из начального состояния 1 в конечное 2 равно сумме совершенной над системой работы всех внешних макроскопических сил и количества переданного системе тепла.

(3.36)

Обычно рассматривают не работу , над системой, а работу , производимую самой системой над внешними телами. Имея в виду, что получаем:

(3.37)

где

Это уравнение и выражает первое начало термодинамики: количество теплоты , сообщенное макросистеме идет на приращение ее внутренней энергии и на совершение системой работы над внешними телами.

Все входящие в (3.37) величины являются алгебраическими, то есть могут иметь как положительные, так и отрицательные значения. Если , то тепло отводится от системы, если , то работа производится над системой. Приращение внутренней энергии может иметь любой знак, в частности быть равным нулю.

Следует еще раз подчеркнуть: можно говорить о приращении внутренней энергии , но нельзя говорить о приращении работы или тепла. Говорят только о количестве последних двух величин в том или ином процессе, то есть и есть функции процесса.

Первое начало термодинамики в дифференциальной форме имеет вид:

(3.38)

Штрих означает, что мы имеем дело не с приращением какой-либо функции, а с элементарными значениями теплоты ( ) и работы ( ).

Для примера рассмотрим работу, совершаемую макросистемой, например, некоторым объемом газа в цилиндре. Если объем газа получает приращение , а давление, оказываемое ею на соседние тела (стенки), равно ,то элементарная работа сил, действующих со стороны газа на стенки,

(3.39)

При поднятии поршня давление газа в общем случае может меняться. Поэтому работа, совершаемая газом при конечных изменениях объема, например от до ,должна быть представлена в виде интеграла:

(3.40)

Исходя из этого, формулировку первого начала можно записать в более удобной форме:

(3.41)

2. Рассмотрим некоторые следствия первого начала термодинамики.