3.3. Первый закон термодинамики

Количество теплоты, сообщенное системе, расходуется на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы против внешних сил:

. (2.3.2)

Это частный случай закона сохранения и превращения энергии, записанный для термодинамической системы. Теплота и работа – две единственно возможные формы передачи энергии: теплота – микроскопическая форма, а работа – макроскопическая.

Обычно этот закон записывают для изменения состояния системы, вызванного сообщением ей малой теплоты совершением системой элементарной работы и п риводящего к малому изменению внутренней энергии:

. (2.3.3)

Как уже отмечалось, отличие в записи малых величин теплоты работы и изменения внутренней энергии имеет не формальный характер, а выражает глубокое физическое различие этих величин.

Все величины, входящие в первое начало термодинамики могут быть положительными, отрицательными и равными нулю. Если к системе подводится теплота, то ; а если отводится, то . Общее количество теплоты , сообщаемое системе в процессе , равно алгебраической сумме элементарных количеств теплоты , сообщаемых системе на всех участках процесса :

(2.3.4)

Если система совершает работу над внешними телами, то считается, что , если же над системой внешние силы совершают работу, то . Работа , совершаемая системой в конечном процессе , равна алгебраической сумме элементарных работ , совершаемых системой на всех участках этого процесса: . (2.3.5)

Если система, например рабочее тело в периодически действующем двигателе, совершает круговой процесс , то и, следовательно, .

Значит нельзя построить периодически действующий двигатель, который совершал бы работу большую, чем та энергия, которая подводится к двигателю извне. Невозможность создания вечного двигателя первого рода также является формулировкой первого закона термодинамики.

3.4. Графическое изображение термодинамических процессов и работы

Равновесные термодинамические процессы удобно изучать и сравнивать друг с другом, используя их графическое изображение. Для этого строят , и диаграммы. На диаграмме, приведенной на рис.3.2, точки и характеризуют

Рис.3.2

начальное и конечное состояния системы, Термодинамический процесс изображается кривой . Элементарная работа определяется площадью узкой голубой полоски на рисунке. Работа, совершаемая системой в процессе , равная , измеряется площадью под кривой . Из рисунка видно, что величина работы зависит от того, каким образом система переходит из начального состояния в конечное, т. е. от вида процесса .

3.5. Теплоемкость вещества

Одной из основных характеристик, описывающих тепловые свойства вещества, является его теплоемкость – физическая величина, определяемая количеством теплоты , которое необходимо подвести к веществу или отнять от него для изменения его температуры на : (2.3.6)

Теплоемкость вещества зависит от его массы, химического состава, термодинамического состояния, а также от вида процесса передачи ему теплоты . Различают удельную ( ) и молярную ( ) теплоемкости. Это теплоемкости единицы массы вещества и 1 моля вещества:

и , (2.3.7)

где – количество вещества; – молярная масса вещества.

Откуда (2.3.8)

Единицы удельной и молярной теплоемкостей – и .

Различают теплоемкость при постоянном объеме и теплоемкость при постоянном давлении.