3. Перший закон термодинаміки

Хоч між поняттями роботи і теплоти існує суттєва різниця вони дуже близькі в тому сенсі, що виражають кількість енергії, що передається системі.

Досліді, виконані Джоулем, показали еквівалентність теплоти і роботи, тобто було доведено, що перетворення теплоти в роботу і роботу в теплоту здійснюється завжди лише в строго постійному співвідношенні.

Встановлення принципу еквівалентності було останнім етапом в формуванні кількісної сторони закону збереження і перетворення енергії, тому дата встановлення цього принципу пов’язується із датою відкриття першого закону термодинаміки.

Перший закон термодинаміки пов’язує між собою кількість теплоти, роботу і внутрішню енергію. Перший закон термодинаміки стверджує, що зміна внутрішньої енергії термодинамічної системи може бути здійснена двома шляхами

1. шляхом виконання роботи,

2. шляхом теплообміну

В математичній формі це записується

. (1)

Н а рисунку умовно зображені енергетичні потоки між виділеною термодинамічною системою і навколишніми тілами. Величина , якщо тепловий потік направлений убік термодинамічної системи. Величина , якщо система здійснює роботу над навколишніми тілами.

Цей закон є, по суті, закон збереження енергії в термодинаміці: збільшення внутрішньої енергії термодинамічної системи дорівнює сумі роботі зовнішніх сил над системою і енергії, переданій системі шляхом теплопередачі.

Закон (1) можна читати і так: Теплота, яку отримує система, йде на здійснення цією системою роботи і зміну її внутрішньої енергії .

З (1) випливає:

1. Для теплоізольованої термодинамічної системи , тобто робота виконується за рахунок внутрішньої енергії.

Теплоізольованою або адіобатично ізольованою називається система, в якій зміни її стану можуть відбуватися тільки завдяки механічним переміщенням частин системи і її оболонок (навколишніх тіл) і не можуть відбуватися шляхом теплообміну з навколишніми тілами. Будь-яка зміна стану адіабатично ізольованої системи називають адіабатичним процесом, а оболонку навколо такої системи – адіабатичною оболонкою.

2. Якщо теплоізольована термодинамічна система бере участь в круговому процесі , то завжди :

При відсутності взаємодії з навколишніми тілами неможливо провести процес, єдиним результатом якого було б отримання роботи.

Або інакше:

Вічний двигун (perpetuum mobile) першого роду неможливий. Тобто неможливо побудувати машину, яка б виконувала роботу без витрат зовнішньої енергії.

Дійсно, якщо до системи не підводиться кількість теплоти , то відповідно до (1) корисна робота А може бути здійснена тільки за рахунок зменшення внутрішньої енергії системи. А оскільки внутрішня енергія будь-якої системи обмежена, після вичерпання внутрішньої енергії здійснення системою корисної роботи припиниться, і двигун зупиниться.

3. При , , тобто вся теплота повністю перетворюється в роботу .

Якщо зовнішня робота виконується лише за рахунок зміни одного параметру , то перший закон термодинаміки матиме вигляд

. (2)

У більш загальних випадках, коли змінюються і інші параметри, перший закон термодинаміки має вигляд

(3)

Формули (1)-(3) являють собою диференціальну форму запису першого закону термодинаміки.