Первое начало термодинамики
Существуют две формы передачи энергии от одних тел к другим – работа и теплота. Энергия механического движения может превращаться в энергию теплового движения и наоборот. При этих превращениях соблюдается закон сохранения и превращения энергии.
Первое начало термодинамики — один из трёх основных законов термодинамики, представляет собой закон сохранения энергии для термодинамических систем. Первое начало термодинамики было сформулировано в середине XIX века в результате работ немецкого учёного Ю. Р. Майера34, английского физика Дж. П. Джоуля и немецкого физика Г. Гельмгольца35.
Нулевое начало термодинамики
Нулевое начало термодинамики названо так потому, что оно было сформулировано уже после того, как первое и второе начало вошли в число устоявшихся научных понятий. Оно утверждает, что изолированная термодинамическая система с течением времени самопроизвольно переходит в состояние термодинамического равновесия и остаётся в нём сколь угодно долго, если внешние условия сохраняются неизменными. Оно также называется общим началом. Термодинамическое равновесие предполагает наличие в системе механического, теплового и химического равновесия, а также равновесия фаз. Классическая термодинамика постулирует лишь существование состояния термодинамического равновесия, но ничего не говорит о времени его достижения.
Первый закон термодинамики
Теплота, сообщаемая системе, расходуется на увеличение её внутренней энергии и на совершение работы ею против внешних сил (рис. 121).
Первый закон термодинамики для элементарного процесса:
=
dU
+
или
для конечного процесса: Q=
+
A.
Рис. 121.
Обмен энергией между термодинамической системой и окружающими телами в результате теплообмена и совершаемой работы.
Если система периодически возвращается в первоначальное состояние, то = 0. Тогда согласно первому закону термодинамики: А = , т.е. вечный двигатель первого рода36 невозможен (рис. 122).
Рис. 122. Предлагаемые «изобретателями» в истории техники «вечные двигатели»
Энтальпия системы
Работа изменения объёма газа в изобарном процессе (m – const;P = const): A = P•dV = d (PV). (1)
С учётом формулы (1) первый закон термодинамики примет вид:
=
dU
+
= dU
+ d
(PV)
= d
(U
+ PV).
(2)
Введём новую величину, называемую энтальпией:
I = U + PV, (Дж) (3)
Энтальпия I является функцией состояния, т.к. величины U,P.V сами являются функциями состояния.
С учётом формулы (3) при P = const первый закон термодинамики примет вид:
= ∆I = I2 – I1.
Энтальпия – функция состояния, приращение которой в изобарном процессе даёт тепло, полученное системой.
Полная энергия. Закон сохранения полной энергии
Полной энергией системы называется сумма её механической и внутренней энергий:W = Eм + U.
Замкнутой (изолированной) называется термодинамическая система, которая не обменивается энергией ни в какой форме с внешней средой.
Для такой системы справедливо: Eм = 0; = 0; А =0, тогда из первого закона термодинамики следует: dU = 0 => U= const.
Если в замкнутой системе Eм = const и U = const, то W = const.
Полная энергия изолированной системы остаётся неизменной при любых процессах, в ней происходящих.
Понятие изолированной системы – идеализация, все реальные системы незамкнуты.