I закон термодинамики
І закон термодинамики является частным случаем всеобщего закона сохранения и превращения энергии применительно к термодинамическим процессам.
Согласно закону сохранения энергии, энергия не может быть ни создана, ни уничтожена, а может быть преобразована из одной формы в другую: при этом превращении определенному количеству одной формы энергии всегда соответствует точно такое же количество энергии другой формы. Закон сохранения и превращения энергии был открыт М.В. Ломоносовым в 18 столетии. Превращение работы в теплоту было известно в глубокой древности: человек добывал огонь путем трения 2 кусков дерева друг о друга. Процесс перехода теплоты в механическую работу удалось осуществить только в конце 18 столетия, когда была создана паровая машина. В ней происходило превращение теплоты пара в механическую работу. Первая паровая машина была создана в 1765 г. И.И. Ползуновым. Теория значительно отставала от практики, и только в 19 столетии был подтвержден закон М.В. Ломоносова о сохранении и превращении энергии применительно к тепловым явлениям.
В 1842 г. немецкий врач Р. Майер сформулировал принцип эквивалентности взаимного перехода теплоты в работу в строго определенных количествах.
В 1843 г. Джоуль подтвердил этот принцип экспериментально.
Аналитическое выражение I закона термодинамики
δQ = dU + δL, Дж. (6)
Разделив правую и левую часть выражения (6) на массу М получим:
. (7)
Выражения (6) и (7) представляют собой аналитические выражения I-го закона термодинамики в дифференциальном виде.
Формулировка I закона термодинамики
Тепло, подведенное к рабочему телу, расходуется на изменение внутренней энергии и работу изменения объема.
С учетом (5) получим:
С dT = dU + pdV. (8)
Проинтегрировав выражение (8) получим
;
.
Вычисление изменения внутренней энергии
Как указывалось выше, изменение внутренней энергии не зависит от характера протекания процесса, а зависит только от начального и конечного состояния рабочего тела. Поэтому для вычисления величины изменения внутренней энергии можно выбрать наиболее удобный для этой цели процесс. Таким процессом является изохорный процесс (V = const, dU = 0). Используя выражение (8) получим
Сv dT = dU.
В конечном виде для идеального газа при Сv = const получим
. (9)
Следовательно, в любом термодинамическом процессе с идеальным газом изменение внутренней энергии определяется согласно (9).
Выражение I-го закона термодинамики может быть представлено:
.
.
Энтальпия
Уравнение I-го закона термодинамики моно записать в виде:
δq = dU + p dV + V dp – V dp, либо δq = d (U + pV) – V dp.
Обозначим U + pV = i.
Величина i является параметром состояния рабочего тела, т.е. определяется однозначно параметрами состояния U, p, V, T и называется энтальпией.
δq = di – V dp. (10)
Физический смысл энтальпии можно выяснить, если выражение (10) записать применительно к изобарному процессу (p = const, dp = 0)
.
Величина di представляет собой элементарное количество тепла, участвующее в изобарном процессе.
Энтальпия широко применяется в теплотехнических расчетах, особенно при расчетах водяного пара и других реальных газов.
Для идеального газа di = Cp dT.
В термодинамических расчетах используется разность энтальпий
.
Выражение I-го закона термодинамики через энтальпию
,
.