Первое начало термодинамики

Внутренняя энергия может изменяться за счет двух процессов: совершения над телом работы А' и сообщения ему количества тепла Q. Например, поршень, вдвигаемый в сосуд, перемещаясь, совершает над газом работу А'. По третьему закону Ньютона газ при этом совершает над поршнем работу .

Сообщение телу количества тепла Q не связано с перемещением тел и, следовательно, не связано с совершением над телом макроскопической работы. В этом случае изменение внутренней энергии обусловлено тем, что отдельные молекулы более нагретого тела совершают работу над отдельными молекулами тела, нагретого менее. Совокупность микроскопических процессов, приводящих к передаче энергии от тела к телу, носит название теплопередачи.

Таким образом, приращение внутренней энергии должно быть равно сумме совершенной над системой работы и количества сообщенного системе тепла: .

Обычно вместо работы внешних сил над системой A' рассматривают работу , совершаемую системой над внешними телами. Тогда уравнение можно привести к виду: .

Это уравнение выражает закон сохранения энергии и представляет собой содержание первого начала термодинамики: количество тепла, сообщенное системе, идет на приращение внутренней энергии системы и на совершение системой работы над внешними телами.

Внутреннюю энергию измеряют, как и работу, в системе СИ в джоулях. Есть также особая единица – 1 калория, которая равна количеству тепла, необходимому для нагревания 1 г воды от 19,5 до 20,5 °С. Опытным путем было установлено, что 1 кал = 4,18 Дж. Величина I = 4,18 Дж/кал называется механическим эквивалентом тепла.

При вычислении совершенной системой работы или полученного системой тепла приходится разбивать рассматриваемый процесс на ряд элементарных процессов, каждый из которых соответствует малому изменению параметров системы. Первое начало термодинамики для элементарного процесса имеет вид: ,

где – элементарное количество тепла, Δ'A – элементарная работа, ΔU – приращение внутренней энергии. Надо иметь в виду, что Δ'Q и Δ'A нельзя рассматривать как приращения величин Q и А. В действительности величина совершенной телом работы и количество полученного системой тепла зависят от пути перехода системы из одного состояния в другое. Следовательно, ни А, ни Q не являются функциями состояния, в силу чего нельзя говорить о запасе тепла или работы, которыми обладала бы система в различных состояниях. При этом ΔU – это действительно приращение внутренней энергии системы.

При переходе к бесконечно малым величинам это уравнение будет иметь вид: , где dU – полный дифференциал.

Дата добавления: 2014-01-05