Первый закон тд

Первый закон ТД является количественной формулировкой закона сохранения энергии: в изолированных системах сумма всех видов энергии есть величина постоянная.

Из всех видов энергии в ТД рассматривают только внутреннюю энергию системы U. Ее величина зависит от массы системы (экстенсивное свойство), природы вещества системы и ТД параметров (P, V, T). Измеряется в Дж.

Внутренняя энергия системы может изменяться в результате обмена энергией с окружением в форме теплоты или работы:

ΔU = Q - A

Для бесконечно малой части процесса:

dU = δQ - δА

где δQ и δА — бесконечно малые количества теплоты и работы, dU — бесконечно малое изменение внутренней энергии. Различие в знаках между Q и А объясняется тем, что положительной в ТД принята теплота, входящая в систему, а работа — совершаемая самой системой (энергия как бы выходит из нее).

Указанные уравнения представляют собой математическое выражение первого закона ТД, которое обычно записывают так:

Q = ΔU + A

Теплота, подведенная к системе, расходуется на увеличение внутренней энергии системы и совершение системой работы.

Например, если сообщить газу, находящему в цилиндре под поршнем, некоторое количество теплоты, то газ нагреется (возрастет внутренняя энергия) и расширится (совершит работу по подъему поршня).

Термодинамические процессы

В общем случае теплота является функцией процесса, однако в двух важных случаях она приобретает свойства функции состояния — при протекании изохорного и изобарного процессов.

Изохорный процесс

Переведем при V = const газ из состояния 1 в состояние 2. В этом случае система не совершает работы и для всего процесса можно записать:

Q_V = ΔU = U₂ – U₁

Для бесконечно малой части процесса:

δQ_V = dU

Т.к. U — функция состояния, то и теплота приобретает свойства функции состояния, т.е. ее количество в изохорном процессе не зависит от пути процесса. Измерив Q_V, тем самым измеряют изменение внутренней энергии

Изохора нагревания в координатах P – V направлена вертикально вверх, охлаждения — вертикально вниз.

С использованием понятия теплоемкости можно записать:

Q_V = С_V(T₂ – T₁)

где C_V — теплоемкость при постоянном объеме.

Изобарный процесс

Переведем при Р = const систему из состояния 1 в состояние 2.

Q_P = ΔU + PΔV = (U₂ – U₁) + P(V₂ - V₁)

Q_P = (U₂ + PV₂) – (U₁ + PV₁) = H₂ – H₁ = ΔH

где Н — энтальпия.

Для бесконечно малой части процесса:

δQ_P = dH

Т.к. Н — функция состояния, то и теплота изобарного процесса приобретает свойства функции состояния. Измеряя Q_P, измеряют изменение энтальпии в ходе процесса.

Изобара нагревания в координатах P – V направлена горизонтально слева направо, изобара охлаждения — справа налево.

С использованием понятия теплоемкости можно записать:

Q_Р = С_Р(T₂ – T₁)

где C_Р — теплоемкость при постоянном давлении.

Можно получить выражение, связывающее ΔU и ΔН:

ΔН = ΔU + PΔV

для идеального газа справедливо уравнение Менделеева — Клапейрона:

PV = nRT или PΔV = ΔnRT

ΔН = ΔU + ΔnRT

где Δn — изменение числа моль газообразных веществ в ходе процесса.

Т.к. химические реакции и ФХ процессы чаще осуществляют при постоянном давлении (Р = const = 1 атм), то на практике для расчетов обычно используют понятие энтальпии, а не внутренней энергии. Иногда слово «теплота» процесса без лишних объяснений заменяют «энтальпией». Далее под тепловым эффектом Q будем понимать ΔH.