Перший закон термодинаміки: визначення

Перше начало (перший закон) термодинаміки — це закон збереження і перетворення енергії для термодинамічної системи.

Відповідно до першого початку термодинаміки, робота може відбуватися тільки за рахунок теплоти або якоїсь іншої форми енергії. Отже, роботу і кількість теплоти вимірюють в одних одиницях — джоулях (як і енергію).

Перший початок термодинаміки був сформульований німецьким вченим Ю. Л. Манером у 1842 р. і підтверджено експериментально англійським ученим Дж. Джоулем в 1843 р.

Перший закон термодинаміки формулюється так:

Зміна внутрішньої енергії системи при переході її з одного стану в інший дорівнює сумі роботи зовнішніх сил і кількості теплоти, переданої системі:

ΔU = A + Q,

де

  • ΔU — зміна внутрішньої енергії;
  • A — робота зовнішніх сил;
  • Q — кількість теплоти, переданої системі.

З (ΔU = A + Q) випливає закон збереження внутрішньої енергії. Якщо систему ізолювати від зовнішніх впливів, то

A = 0 і Q = 0,

а отже, і

ΔU = 0.

При будь-яких процесах, що відбуваються в ізольованій системі, її внутрішня енергія залишається постійною.

Якщо роботу здійснює система, а не зовнішні сили, то рівняння (ΔU = A + Q) записується у вигляді:

Q=ΔU+A’,

де

  • A’ — робота, здійснена системою (A’ = -A).

Кількість теплоти, передана системі, йде на зміну її внутрішньої енергії і на здійснення системою роботи над зовнішніми тілами.

Перший початок термодинаміки може бути сформульований як неможливість існування вічного двигуна першого роду, який здійснював би роботу, не черпаючи енергію з будь-якого джерела (тобто тільки за рахунок внутрішньої енергії).

Дійсно, якщо до тіла не надходить теплота (Q – 0), то робота A’, згідно з рівнянням Q=ΔU+A’, здійснюється тільки за рахунок зменшення внутрішньої енергії А’ = -DU. Після того, як запас енергії виявиться вичерпаним, двигун перестає працювати.

Слід пам’ятати, що як робота, так і кількість теплоти, є характеристиками процесу зміни внутрішньої енергії, тому не можна говорити, що в системі міститься певна кількість теплоти або роботи. Система в будь-якому стані володіє лише певною внутрішньою енергією.

Застосування першого закону термодинаміки до різних процесів

Розглянемо застосування першого закону термодинаміки до різних термодинамічних процесів.

Ізохорний процес

Залежність р(Т) на термодинамічної діаграмі зображується изохорою.

Ізохорний процес — термодинамічний процес, що відбувається в системі при постійному обсязі.

Ізохорний процес можна здійснити в газах і рідинах, укладених в посудину з постійним об’ємом.

При изохорному процесі обсяг газу не змінюється (ΔV= 0), і, відповідно до першого початку термодинаміки Q=ΔU+A’,

ΔU = Q

Тобто зміна внутрішньої енергії дорівнює кількості переданого тепла, так як робота (А = рΔV=0) газом не відбувається.

Якщо газ нагрівається, то Q > 0 і U > 0, його внутрішня енергія збільшується. При охолодженні газу Q < 0 і U < 0, внутрішня енергія зменшується.

Ізотермічний процес

Ізотермічний процес графічно зображується ізотермою.

Ізотермічний процес — це термодинамічний процес, що відбувається в системі при постійній температурі.

Оскільки при ізотермічному процесі внутрішня енергія газу не змінюється, то вся передана газу кількість теплоти йде на вчинення роботи:

Q = A’,

При отриманні газом теплоти (Q > 0) він робить позитивну роботу (A’ > 0). Якщо газ віддає тепло навколишньому середовищу Q < 0 і A’ < 0. У цьому випадку над газом відбувається робота зовнішніми силами. Для зовнішніх сил робота позитивна. Геометрично робота при ізотермічному процесі визначається площею під кривою p(V).

Ізобарний процес

Ізобарний процес на термодинамічній діаграмі зображується ізобарою.

Ізобарний (изобаричний) процес — термодинамічний процес, що відбувається в системі з постійним тиском р.

Прикладом ізобарного процесу є розширення газу в циліндрі з вільно плаваючим навантаженим поршнем.

При ізобарному процесі, згідно з формулою Q=ΔU+A’, передана газу кількість теплоти йде на зміну його внутрішньої енергії ΔU і на вчинення ним роботи A’ при постійному тиску:

Q = ΔU + A’.

Робота ідеального газу визначається за графіком залежності p(V) для ізобарного процесу (A’ = pΔV).

Для ідеального газу при ізобарному процесі обсяг пропорційний температурі, в реальних газах частина теплоти витрачається на зміну середньої енергії взаємодії частинок.

Адіабатичний процес

Адіабатичний процес (адіабатний процес) — це термодинамічний процес, що відбувається в системі без теплообміну з навколишнім середовищем (Q = 0).

Адіабатична ізоляція системи наближено досягається в посудинах Дьюара, в так званих адіабатних оболонках. На адіабатично ізольовану систему не впливає зміна температури оточуючих тіл. Її внутрішня енергія U може змінюватися тільки за рахунок роботи, яка виконується зовнішніми тілами над системою, або самою системою.

Адіабатне стиснення призводить до підвищення температури газу, оскільки в результаті пружних зіткнень молекул газу з поршнем їх середня кінетична енергія зростає, на відміну від розширення, коли вона зменшується (у першому випадку швидкості молекул газу збільшуються, у другому — зменшуються).

Різке нагрівання повітря при адіабатичному стисненні використовується в двигунах Дизеля.

Посилання на основну публікацію