2.1. Две формы потока энергии - работа и тепловой поток

Из повседневного опыта следует, что давление, температуру и другие параметры состояния термодинамической системы можно изменить, изменяя его объем (или, например, намагниченность, поляризацию), то есть совершив работу сил механической (магнитной, электрической) природы. Но можно изменить состояние системы без совершения работы, только за счет теплообмена с внешней средой.

Подчеркнем два обстоятельства.

• Какой-либо третьей формы потока энергии не существует, если ограничиться рассмотрением закрытых термодинамических систем – систем, непроницаемых для потока массы вещества. Это положение является существенной частью первого закона термодинамики.

• Поток энергии, как и любой поток, струя, имеет, очевидно, протяженность. Правомерен вопрос: что есть величина потока? В термодинамике, как и в математике, величину потока всегда привязывают к определенной геометрической поверхности – контрольной поверхности, которую пересекает поток. Именно здесь можно выразить величину потока энергии в джоулях или ваттах, а величину потока массы в кг или кг/с. За пределами этой секущей поверхности величина потока может иметь совсем другие значения.

2.2.Первый закон термодинамики. Внутренняя энергия

Первый закон термодинамики вводит понятие внутренней энергии и с ее помощью определяет взаимосвязь между работой и теплопритоком.

Таким образом, и при совершении работы, и при осуществлении теплообмена термодинамическая система, ее масса является аккумулятором - носителем, приемником и источником - энергии, переносимой сквозь границу “система-среда”. Причем, здесь энергия может аккумулироваться при неподвижном центре массы системы, тем самым без изменения кинетической и потенциальной составляющих механической энергии термодинамической системы в целом. В таком случае аккумулятором, поглощающим или производящим потоки энергии, проходящие через границу термодинамической системы, является молекулярное и внутримолекулярное движение и межмолекулярное взаимодействие. Эта форма аккумулирования энергии, не проявляющаяся в механике, названа внутренней энергией.

Если состояние системы определяется, например, температурой и давлением, то и величина внутренней энергии однозначно определяется температурой и давлением. Говорят:

внутренняя энергия есть однозначная функция состояния термодинамической системы и изменяется только потоками энергии (работа, теплообмен) через границы системы.

Это утверждение выражает первый закон термодинамики. Его суть в том, что если после изменения параметров состояния (температура, давление) вернуть их к первоначальному значению, то и внутренняя энергия вернется к ее первоначальному значению

2.3. Уравнение первого закона термодинамики

В соответствии с формулировкой первого закона можно составить уравнение энергетического баланса термодинамической системы, достаточно лишь установить, какое направление для переноса энергии при работе и при теплообмене будет положительным. При совершении работы положительным принимают направление из термодинамической системы во внешнюю среду. В отношении теплообмена общепринято положительным считать теплообмен, направленный от внешней среды к термодинамической системе, т.е. теплоприток к системе.

Примем обозначения:

Q - теплоприток к термодинамической системе, Дж (джоуль);

U₁, U₂ - начальное и конечное значения внутренней энергии системы, Дж;

L– совершаемая над внешней средой работа, Дж

Теперь можно записать уравнение энергетического баланса для закрытой термодинамической системы, или, как его называют, уравнение первого закона термодинамики:

Q = U₂ - U₁ + L , (1-3)

т.е. теплоприток к закрытой термодинамической системе расходуется на увеличение ее внутренней энергии и на совершение работы.

Для удобства записи часто пользуются обозначением:

U₂-U₁=U.

Тогда

Q = U + L.

То же в дифференциальной форме -

dQ=dU+dL. (1-3а)

Полученные равенства выражают закон сохранения энергии в природе и поэтому абсолютно верны. На их основе будут получены большинство расчетных формул термодинамики.

Согласно СИ единицами измерения теплопритока, внутренней энергии и работы являются Дж (джоуль) и кратные ему единицы: 10³Дж = кДж (килоджоуль), 10⁶Дж = МДж (мегаджоуль). Однако применяются и другие единицы. Так, счетчики электроэнергии измеряют работу L электрического тока, подводимую к потребителю через счетчик, вкиловаттчасах(1кВт.ч=3,6МДж), в диетологии энергетическая ценность продуктов указывается обычно вкалориях(кал) иликилокалориях(1ккал=4,19кДж). В системах теплоснабжения горячей водой и паром единицей принимают гигакалорию.