2)Первое начало термодинамики

• Представляет собой закон сохранения энергии.

• Он гласит, что энергия не может быть создана или уничтожена, она лишь переходит из одного вида в другой в различных физических процессах.

• Отсюда следует, что внутренняя энергия изолированной системы остается неизменной.

В изохорном процессе (V = const) газ работы не совершает, A = 0. Следовательно,

Q = ΔU = U (T2) – U (T1).

Здесь U (T₁) и U (T₂) – внутренние энергии газа в начальном и конечном состояниях. Внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры (закон Джоуля). При изохорном нагревании тепло поглощается газом (Q > 0), и его внутренняя энергия увеличивается. При охлаждении тепло отдается внешним телам (Q < 0).

В изобарном процессе (p = const) работа, совершаемая газом, выражается соотношением

A = p (V2 – V1) = p ΔV.

Первый закон термодинамики для изобарного процесса дает:

Q  = ΔU + p ΔV.

При изобарном расширении Q > 0 – тепло поглощается газом, и газ совершает положительную работу. При изобарном сжатии Q < 0 – тепло отдается внешним телам. В этом случае A < 0. Температура газа при изобарном сжатии уменьшается, T₂ < T₁; внутренняя энергия убывает, ΔU < 0.

В изотермическом процессе температура газа не изменяется, следовательно, не изменяется и внутренняя энергия газа, ΔU = 0.

Первый закон термодинамики для изотермического процесса выражается соотношением

Q = A.

Количество теплоты Q, полученной газом в процессе изотермического расширения, превращается в работу над внешними телами. При изотермическом сжатии работа внешних сил, произведенная над газом, превращается в тепло, которое передается окружающим телам.

Сосуды с теплонепроницаемыми стенками называются адиабатическими оболочками, а процессы расширения или сжатия газа в таких сосудах называются адиабатическими.

В адиабатическом процессе Q = 0; поэтому первый закон термодинамики принимает вид

A = –ΔU,

т. е. газ совершает работу за счет убыли его внутренней энергии.

На плоскости (p, V) процесс адиабатического расширения (или сжатия) газа изображается кривой, которая называется адиабатой. При адиабатическом расширении газ совершает положительную работу (A > 0); поэтому его внутренняя энергия уменьшается (ΔU < 0). Это приводит к понижению температуры газа. Вследствие этого давление газа при адиабатическом расширении убывает быстрее, чем при изотермическом

Единственным источником энергии для живых организмов является энергия химических связей пищевых продуктов. W_пищи = A + Q + ΔU

Энергия пищи тратится на совершение живым организмом работы, на изменение его внутренней энергии и частично отдается в окружающую среду в форме тепла.

W_пищи = A + Q + ΔU

Организм теплокровных животных имеет постоянную температуру, и химический состав его в среднем не изменяется, поэтому ΔU=0.

Тогда данное уравнение имеет вид:

W_пищи = Q + A

В технике основным источником энергии является сжигание топлива или преобразование ядерной энергии в тепловую.

Часть полученного тепла в различного рода двигателях используется для совершения работы, а другая часть отдаётся в окружающую среду.

Живые организмы отличаются прежде всего тем, что роль промежуточного звена между источником свободной энергии и работой в них выполняет не тепловая энергия, а химическая.

В живых организмах работа не может совершаться за счет тепловой энергии. Тепло всегда означает тепловые потери при различных видах совершения работы.

В живых организмах свободная энергия, получаемая при усвоении пищи, почти целиком выделяется в ходе биологического окисления, происходящего на внутренних мембранах митохондрий.

Примерно 50% этой энергии диссипирует (выделяется в виде тепла, которое целиком уходит в окружающую среду).