3. Первое начало термодинамики

Мерой, переданной при теплообмене внутренней энергии является количество теплоты. Количество теплоты – не запас, а именно мера переданной внутренней энергии. У тела нет количества теплоты до или после теплообмена, до или после этого процесса есть определенные запасы внутренней энергии (U₁ и U₂), их разность равна полученному или отданному при теплообмене количеству теплоты.

Практически изменение внутренней энергии может быть осуществлено всего двумя принципиально различными способами: совершением работы и теплообменом.

В первом случае изменение внутренней энергии равно работе внешних сил:

(работа системы над внешними телами).

Во втором случае изменение внутренней энергии равно количеству теплоты, переданному системе:

.

В общем случае происходит суммарное изменение внутренней энергии³¹:

.

Найдем количество теплоты, переданное системе извне в процессе теплообмена:

.

Количество теплоты, переданное системе, увеличивает ее внутреннюю энергию и превращается в работу, совершаемую системой против внешних сил, - первое начало термодинамики или наиболее общая формулировка закона сохранения и превращения энергии³².

4. Калориметрия33

Если веществу передается какое-либо количество теплоты (в любой форме), то изменяется его температура (за исключением изотермических процессов). Характеристиками такого изменения являются различные теплоемкости.

Пусть количество теплоты, необходимое для изменения температуры тела от Т до T+dT. Теплоемкость тела измеряется отношением этого количества теплоты к изменению температуры:

.

Теплоемкость единицы массы называется удельной теплоемкостью данного вещества:

.

Теплоемкость одного моля вещества называется молярной теплоемкостью данного вещества:

.

Удельная и молярная теплоемкости вещества зависят от характера процесса передачи энергии (в частности для газа различают теплоемкости при постоянном давлении и при постоянном объеме ) и, в общем случае, от температуры. Поэтому интервал температуры выбран вблизи определенной температуры Т.

Количество теплоты, необходимое для изменения температуры массы т данного вещества от Т до T+dT:

.

Если зависимостью теплоемкости от температуры можно пренебречь, то для конечного интервала температур

.

Рассмотрим некоторую систему тел, в которой не происходит никаких превращений энергии, кроме теплообмена. Для этой системы

и .

В процессе теплообмена внутренняя энергия одних тел увеличивается, других – уменьшается, мерой этого изменения является количество теплоты, которое данное тело получило или отдало в процессе теплообмена.

Если система охватывает все тела, участвующие в теплообмене, то первое начало термодинамики, или, что то же самое, закон сохранения и превращения энергии, можно записать в виде уравнения теплового баланса.

.

Алгебраическая сумма количеств теплоты, отданных и полученных всеми телами, участвующими в теплообмене, равна нулю. Здесь означает получение соответствующей порции внутренней энергии телами – нагревание, – наоборот, остывание.