13. Перший закон термодинаміки

Перший закон термодинаміки визначає енергетичний баланс на контрольній поверхні різних систем. Контрольна поверхня – уявна оболонка, якою оточують систему при розгляді потоків вхідної і вихідної енергії через неї. Елементами балансу є внутрішня енергія, робота і теплота. Підставою для складання балансу служить покладений в основу першого закону загальний закон збереження і перетворення енергії, згідно з яким енергія не зникає і не виникає, вона лише переходить з одного виду в інший у різних процесах.

Емпіричне обґрунтування першого закону термодинаміки дано дослідами Джоуля, який показав, що завжди необхідна одна і та ж сама механічна робота, щоб нагріти певну кількість води на один градус. Цей результат становить так званий принцип еквівалентності, який Томсон сформулював таким чином: якщо із термічних джерел одержується або внаслідок термічних ефектів знищується одна і та ж кількість механічної роботи, то зникає або виникає одна і та ж кількість теплоти. Існує також інше формулювання принципу еквівалентності: неможливо побудувати машину, яка б виконувала механічну роботу без втрати при цьому еквівалентної кілько сті теплоти (принцип неможливості вічно го двигуна першого роду). У термодинамічних процесах зміни стану робочих тіл останні можуть одержувати від зовнішнього середовища чи, навпаки, віддавати йому енергію у вигляді теплоти Q і у вигляді роботи L, внаслідок чого енергія буде чисельно змінюватись на ?E. Тоді, виходячи із закону збереження енергії, рівняння енергетичного балансу матиме вигляд

Q=ΔE+L.

Записаний у такому вигляді загальний принцип збереження енергії в термодинамічному процесі називається математичним виразом першого закону термодинаміки, який можна сформулювати наступним чином: в термодинамічному процесі підведена до тіла теплота в загальному випадку витрачаєть ся на зміну його енергії і здійснення зовніш ньої роботи. Якщо робоче тіло як ціле не рухається (його центр ваги нерухомий), а потенціальною енергією зовнішнього поля сил можна знехтувати, то зміна повної енергії робочого тіла буде дорівнювати зміні його внутрішньої енергії. Робота у цьому випадку являтиме собою лише роботу L розширення, при цьому

Q=ΔU+L.

Варто звернути увагу на те, що, хоч величини, які входять у рівняння першого закону термодинаміки, – внутрішня енергія, робота і кількість теплоти, – вимірюються одними і тими самими одиницями, фізичні поняття, що визначають ці величини, глибоко розрізняються. Як уже вище вказувалось, внутрішня енергія являє собою енергію, яка накопичилась робочим тілом (системою), – запас енергії, а робота і теплота характеризують енергію, що надається робочому тілу або віднімається від нього в якому-небудь процесі.

Отже, перший закон термодинаміки, який є узагальненням всієї сукупності людського досвіду, заперечує можливість створення вічних двигунів і одержання енергії із «нічого». Історія нараховує величезну кількість проектів таких двигунів, які мали б «обертатись самі по собі». Але всі спроби, у тому числі талановитіших конструкторів, були приречені на невдачу.