9.4. Первое начало термодинамики

Закон сохранения полной энергии тела был установлен Ю. Майером (1842 г.) и Г. Гельмгольцем (1847 г.).

Энергия макроскопической замкнутой системы остаётся постоянной, возможны только переходы между различными формами энергии.

Изменение энергии системы связано с изменением энергии во внешней среде. Уместно также вспомнить и закон сохранения массы, установленный М. Ломоносовым (1756 г.).

Масса изолированной системы тел не изменяется со временем и равна сумме масс тел, составляющих эту систему.

Какие же формы может принимать энергия? Энергия может передаваться в форме теплоты, в форме механической работы. Между различными формами энергии возможны переходы. Так, теплота, полученная извне в модели 1, приведёт к совершению газом работы по перемещению поршня. А работа, совершаемая внешними силами при сжатии газа, с помощью поршня может перейти во внутреннюю энергию газа.

Рассмотрим процессы преобразования различных видов энергии более подробно.

Пусть в модели 1 система получила извне количество теплоты В результате температура газа изменилась. Поскольку изменение температуры является следствием изменения кинетической энергии движения молекул , то изменится внутренняя энергия системы. Если внешние силы совершают над системой работу , то происходит сжатие или расширение газа, что вызовет изменение потенциальной энергии , следовательно, внутренняя энергия также изменится:

(9.13)

Работа самой системы против внешних сил равна по величине и противоположна по знаку работе внешних сил:

(9.14)

Тогда соотношение (9.10) можно записать в виде

(9.15)

9.4. Первое начало термодинамики

Количество теплоты, сообщенное системе, идет на приращение внутренней энергии системы и на совершение работы над внешними телами

В дифференциальной форме первое начало термодинамики имеет вид

(9.16)

где - элементарные количества теплоты и работы.

Значок  обозначает отличие элементарного количества от полного дифференциала, т.к. количество теплоты и работы зависит от пути S перехода из одного состояния в другое. Если система вернется в исходное состояние, характеризуемое параметрами P, V, T, n, то количество запасенной теплоты или работы будет являться функцией состояния, а будет полным дифференциалом:

(9.17)

Все величины, входящие в первое начало термодинамики, являются алгебраическими, т.е. могут принимать как положительное, так и отрицательное значение.

Если система теплоизолирована (модель 2), она может совершать работу. Поскольку в адиабатическом процессе , то работа совершается за счёт уменьшения внутренней энергии.

(9.18)

Внутренняя энергия системы имеет конечную величину, поэтому совершение работы за счёт запаса внутренней энергии невозможно в процессах, имеющих циклический характер. Первое начала термодинамики запрещает протекание таких процессов и формулируется ещё следующим образом:

Невозможен «перпетуум мобиле» первого рода, т.е. такой периодически действующий двигатель, который совершал бы работу в большем количестве, чем получаемая им извне энергия.

9.5. Второе и третье начало термодинамики

Возможность протекания того или иного процесса, устанавливается первым началом термодинамики, а направление процесса определяется вторым началом термодинамики.