Перший закон термодинаміки.

Перший закон термодинаміки – закон збереження і перетворення енергії в термодинамічних процесах.

Змінити внутрішню енергію системи можна двома способами: здійснюючи над системою роботу (наприклад, стискаючи газ в циліндрі за допомогою поршня) або надаючи системі теплоту (наприклад, нагріваючи газ в герметичній посудині).

Розглянемо замкнену, макроскопічно нерухому систему, яка не знаходиться у зовнішніх силових полях. Виконаємо аналіз з енергетичної точки зору процес її рівноважного переходу з довільного початкового стану 1 в інший стан 2. Зміна внутрішньої енергії системи , в такому процесі дорівнює різниці між кількістю теплоти Q, яку отримала система, і роботою А, яку здійснила система проти зовнішніх сил

, або .

Перший закон термодинаміки: теплота, яка підведена до системи, витрачається на зміну її внутрішньої енергії та на здійснення нею роботи проти зовнішніх сил.

В диференційній формі: ,

де (повний диференціал) – нескінченно мала зміна внутрішньої енергії, – елементарна робота, – елементарна кількість теплоти. і не є повними диференціалами.

Внутрішня енергія системи є однозначною функцією стану системи. Звідси витікає, що при здійсненні системою довільного процесу, в результаті якого вона знову повертається в початковий стан, повна зміна внутрішньої енергії системи дорівнює нулю

( ).

Ні робота, ні теплота не є функціями стану системи. Всі величини, які входять в перший закон термодинаміки можуть бути як додатними, так і від’ємними.

Якщо до системи підводиться теплота, то ; якщо від системи відводиться теплота, то .

Якщо система здійснює роботу над зовнішніми тілами, то , якщо ж над системою зовнішні сили здійснюють роботу, то .

Інше пояснення першого закону термодинаміки пов’язане з тим, що якщо система періодично повертається в початковий стан, і відповідно , то A = Q, тобто вічний двигун першого роду – періодично діючий двигун, який здійснював би більшу роботу, чим повідомлена йому зовні енергія, – неможливий.

Теплоємність.

Теплоємність тіла – фізична величина, яка чисельно дорівнює відношенню кількості теплоти, яка надана тілу до зміни температури тіла в розглянутому термодинамічному процесі.

Питома теплоємність речовини с – величина, яка дорівнює кількості теплоти, яка необхідна для нагрівання 1 кг речовини на 1 К

.

Молярна теплоємність С_μ – величина, яка дорівнює кількості теплоти, яка необхідна для нагрівання 1 моль речовини на 1 К

.

Зв’язок між С_μ і с:

.

Розрізняють теплоємності (питому і молярну) при постійному об’ємі (c_V і C_V) і при постійному тиску (с_р і С_р), якщо в процесі нагрівання речовини його об’єм чи тиск підтримуються незмінними.

З першого закону термодинаміки , з урахуванням і , для 1 моль газу отримаємо: .

При V = const робота зовнішніх сил δА дорівнює нулю і надана газу ззовні теплота йде тільки на збільшення його внутрішньої енергії.

,

де C_V – дорівнює зміні внутрішньої енергії 1 моль газу при підвищенні його температури на 1 К.

Оскільки , то .

Якщо газ нагрівається при p = const, то

,

де – не залежить від виду процесу (внутрішня енергія ідеального газу не залежить ні від р, ні від V, а визначається тільки Т) і завжди дорівнює С_V. Якщо диференціювати рівняння Клапейрона-Менделєєва по Т при p = const, отримаємо:

– рівняння Майєра.

С_р завжди більше C_V на величину універсальної газової постійної. Це пояснюється тим, що при нагріванні газу при постійному тиску потрібна ще додаткова кількість теплоти на здійснення роботи розширення газу, так як постійність тиску забезпечується збільшенням об’єму газу.

При розгляданні термодинамічних процесів важливу роль відіграє величина

,

яка називається коефіцієнтом Пуассона.