41. Первое начало термодинамики. Количество теплоты. Работа и теплота. Внутренняя энергия системы.

Основной энергети­ческой хара­ктеристикой и однозначной функцией состояния теплового движения макросистемы явля­ется её внутренняя энергия Внутренняя энергия совпадает с полной энергией для неподвижного тела, не подверженного действию внешних полей. Для иде­ального газа внутренняя энергия есть кинетическая энергия U = Е_к. Для одноатомного газа, в соответствии с законом равномерного распределения энергии по степеням свободы движения молекул: U = Е_к = 3RТ2 = 3РV2.

В общем случае многоатомного идеального газа U = 3RТ2 = РV2.

Изотермический процесс есть процесс без изменения внутренней энергии.

В механике единственным способом и одновременно мерой изменения сос­тояния движе­ния тела /и его функции - кинетической энергии/ служила ра­бота силы. В термодинамике добавляется специфический "тепловой" канал неупорядоченного изменения состояния тепло­вого движения – теплообмен и его количественная мера – теплота (количество теплоты).

Работа совершается при изменении внешних параметров системы (в отсутствии внешних силовых полей – при изменении объема и формы системы). Теплообмен происходит между разнонагретыми телами или их частями (с разной температурой). Работа и теплообмен являются двумя содержательно различными, но количес­твенно эквивалентными способами изменения внутренней энергии макросистем. Их количественные меры - работа и количество теплоты измеряются в одних и тех же - энергетических единицах - джоулях.

Известное из механики выражение для работы А, как произведение силы на перемеще­ние, в термодинамике заменяется произведением давления на изменение объёма. Например, для поршня, действующего на газ в сосуде, элементарная работа А = Fdr = рSdr = рdV; А = рdV  А = р dV.

В основу термодинамики как феноменологической физической теории теплового движе­ния поло­жены два закона, называемых началами термодинамики и являющихся результатами творчес­ких обобщений опыта.

Первое начало термодинамики представляет собой обобщённый (Майер 1842 г и Джоуль 1843 г) на тепловое движение закон сохранения энергии в механике. Оно устанавливает коли­чественную эквивалентность работы и теплоты как двух способов изменения внутренней энер­гии макросистем. Второе же начало термодинамики вскрывает их качественное различие, заключающееся в возможности необратимых тепловых процес­сов, в отличие от всегда обрати­мых механических процессов.

Первое начало термодинамики в дифференциальной форме имеет следующий вид и трак­товку: dU = А^ + Q – элементарное приращение внутренней энергии U макросистемы равно сумме совершённой над ней внешними телами работы А^ и со­общённого ей количества теплоты  Q.

Полные работа А и количество теплоты Q, в отличие от внутренней энер­гии U, не явля­ются однозначными функциями термодинамического состояния макросистемы, а представляют собой функции процесса. Это значит, что:

1) значения работы А и теплоты Q зависят от вида, характера процесса между начальным и конечным состояниями системы;

2) не имеют смысла понятия "запас работы А или теплоты Q" в макросистеме, в каком-либо её состоянии. Они представляют собой изменения внутренней энергии, соответственно, в упорядоченном (механическом) и массово-хаоти­ческом (тепловом) способах, процессах воздействия на макросистему и имеют смысл только в связи с процессом изменения состояния системы.