A. I закон термодинамики

Первый закон термодинамики

Первый закон (первое начало) термодинамики — это закон сохранения и превращения энергии в применении к тепловым процессам.

Если механическая энергия системы не изменяется, а система не замкнута и между ней и окружающей средой происходит теплообмен, то изменяется внутренняя энергия:

\(~\Delta U = Q + A_{vn} . \qquad (1)\)

Уравнение (1) — первый закон термодинамики, который формулируется так: изменение внутренней энергии при переходе термодинамической системы из одного состояния в другое равно работе внешних сил и количеству теплоты, переданному термодинамической системе в процессе теплообмена.

Если вместо работы внешних сил A_vn ввести работу A системы над внешними телами А = -A_vn, то выражение (1) запишется:

\(~Q = \Delta U + A . \qquad (2)\)

Тогда первый закон термодинамики можно сформулировать так: количество теплоты, сообщенное термодинамической системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение работы системой против внешних сил.

Из первого закона термодинамики вытекает невозможность создания вечного двигателя первого рода, т.е. такого двигателя, который совершал бы работу без затраты энергии извне.

Действительно, если к системе не подводится энергия (Q = 0), то A = -ΔU и работа может быть совершена за счет убыли внутренней энергии системы. После того как запас энергии окажется исчерпанным, двигатель перестанет работать.

Если система замкнута (A_vn = 0) и теплоизолирована (Q = 0), то первый закон термодинамики будет иметь вид:

\(~\Delta U = 0 .\)

Если в такой системе имеются тела с различной температурой, то между ними будет происходить теплообмен: тела, у которых температура выше, будут отдавать энергию и охлаждаться, а тела с меньшей температурой будут получать энергию и нагреваться. Это будет происходить до тех пор, пока температуры у всех тел не станут одинаковыми. При этом

\(~\Delta U_1 + \Delta U_2 + \ldots + \Delta U_n = 0\)

или

\(~Q_1 + Q_2 + \ldots + Q_n = 0 . \qquad (3)\)

Первый закон термодинамики (3) для замкнутой и адиабатически изолированной системы называют уравнением теплового баланса. Выражение (3) представляет собой алгебраическую сумму: слагаемые, соответствующие нагреванию, парообразованию, плавлению, положительны, а соответствующие охлаждению, конденсации, кристаллизации, — отрицательны.

Применение первого закона термодинамики к различным тепловым процессам в идеальном газе

1) Изохорный процесс.

Объем не изменяется: V = const => ΔV = 0 — работа не совершается. Первый закон термодинамики будет иметь вид:

\(~Q = \Delta U.\)

При изохорном процессе энергия, сообщаемая газу путем теплообмена, расходуется целиком на увеличение его внутренней энергии, причем согласно (1)

\(~\Delta U = \frac i2 \frac mM R \Delta T .\)

2) Изотермический процесс.

Температура газа не изменяется: Τ = const. Следовательно, ΔU = 0. Первый закон термодинамики имеет вид:

\(~Q = A.\)

При изотермическом процессе все подведенное к газу количество теплоты идет на совершение газом работы.

3) Изобарный процесс.

Давление не изменяется: p = const.

При расширении газ совершает работу Α = pΔV и нагревается, т.е. изменяется его внутренняя энергия:

\(~\Delta U = \frac i2 \frac mM R \Delta T .\)

Первый закон термодинамики запишется так:

\(~Q = A + \Delta U .\)

При изобарном процессе подведенное к газу количество теплоты частично идет на увеличение его внутренней энергии, а частично на работу, совершаемую газом в процессе его расширения.

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — C. 157-158.