17. Первый закон термодинамики

К середине девятнадцатого века многочисленные опыты показали, что механическая энергия не пропадает бесследно. На основании множества наблюдений и обобщения опытных фактов был сформулирован закон сохранения энергии:

Энергия в природе не возникает и не исчезает: количество энергии неизменно, оно только переходит из одной формы в другую.

Первый закон термодинамики - закон сохранения и превращения энергии, распространенный на тепловые явления, носит название первого закона термодинамики.

В термодинамике рассматриваются тела, положение центра тяжести которых практически не меняется. Механическая энергия таких тел остается постоянной, изменяется лишь внутренняя энергия, внутренняя энергия системы может меняться за счет совершения работы или за счет теплообмена с окружающими телами. Например, нагретый газ в цилиндре может уменьшить свою энергию, остывая, без совершения работы. Но он может потерять точно такое же количество энергии, перемещая поршень, без отдачи теплоты окружающим телам.

Первый закон термодинамики сформулирован для общих случаев:

Изменение внутренней энергии системы при переходе ее их одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе:

∆U=A+Q

Если система изолирована, то над ней не совершается работа (А = 0) и она не обменивается теплотой с окружающими телами (Q = 0), внутренняя энергия системы остается неизменной (сохраняется).

Нередко количество теплоты передают системе для того, чтобы она совершила работу над внешними телами. В этом случае внутренняя энергия уменьшается на величину работы. И первый закон термодинамики записывается так:

Количество теплоты, переданное системе, идет на и вменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы над внешними телами.

Q = ΔU+ A'

Из первого закона термодинамики вытекает невозможность создания печного двигателя - устройства, способного совершать неограниченное количество работы без затрат топлива или каких-либо других материалов.

18. Применение первого закона термодинамики к различным процессам.

Первый закон термодинамики - закон сохранения энергии, распространенный на тепловые процессы.

Изменение внутренней энергии газа равно сумме работы, совершенной над газом и количеству теплоты, переданному газу (или совершенной газом и отданного газом)

∆U = А + Q (с учетом направления)

А = р ∆ V (работа равна произведению давления на изменение объема газа) ∆U = А + Q

Изобара. Давление не меняется.

∆U=A+Q=p∆V+Q

Изохора. Объем не меняется, следовательно, работа не совершается.

∆U = Q

Изменение внутренней энергии газа равно количеству переданной теплоты: увеличивается, если газ нагревают, или уменьшается, если газ отдает тепло.

Изотерма. Не меняется температура, следовательно, нет изменения внутренней энергии

∆U = О А + Q = О

Работа совершается за счет переданного количества теплоты. Или, если работа совершается над газом (газ сжимают), газ отдает количество теплоты.

Адиабата. Процесс, происходящий без обмена количеством теплоты.

∆U =А

Это возможно при помещении газа в теплоизолирующую оболочку или при очень быстром протекании процесса. Например, в двигателях Дизеля сжатие (работа совершается над газом) горючей смеси приводит к ее воспламенению. Адиабатное охлаждение газов при их расширении используется в машинах для сжижения газов. При этом внутренняя энергия газа увеличивается или уменьшается на величину совершенной работы.