ПЕРВОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ
Тепло , полученное системой, идет на изменение ее внутренней энергии и совершение работы над внешними телами :
.
Первое начало термодинамики — это закон сохранения и превращения энергии применительно к термодинамическим процессам.
Работа внешних тел над системой связана с работой системы над внешними телами соотношением: .
Работа газа при изобарическом расширении (при расширении с постоянным давлением):
.
В общем случае работа газа при изменении его объема от до :
.
Графически работа — площадь криволинейной трапеции на графике , ограниченная осью абсцисс , прямыми , и кривой .
Тепло, полученное телом массой при изменении его температуры на :
, где — удельная теплоемкость.
Тепло, полученное телом массой при изменении его агрегатного состояния
, где — удельная теплота фазового перехода.
Изменение внутренней энергии системы при переходе её из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе, то есть, оно зависит только от начального и конечного состояния системы и не зависит от способа, которым осуществляется этот переход. Это определение особенно важно для химической термодинамики[2] (ввиду сложности рассматриваемых процессов). Иными словами, внутренняя энергия является функцией состояния. В циклическом процессе внутренняя энергия не изменяется.
Изменение полной энергии системы в квазистатическом процессе равно количеству теплоты , сообщённому системе, в сумме с изменением энергии, связанной с количеством вещества при химическом потенциале , и работы [3], совершённой над системой внешними силами и полями, за вычетом работы , совершённой самой системой против внешних сил
.
Для элементарного количества теплоты , элементарной работы и малого приращения внутренней энергии первый закон термодинамики имеет вид:
.
Разделение работы на две части, одна из которых описывает работу, совершённую над системой, а вторая — работу, совершённую самой системой, подчёркивает, что эти работы могут быть совершены силами разной природы вследствие разных источников сил.
Важно заметить, что и являются полными дифференциалами, а и — нет.
Частные случаи
Рассмотрим несколько частных случаев:
- Если , то это означает, что тепло к системе подводится.
- Если , аналогично — тепло отводится.
- Если , то система не обменивается теплом с окружающей средой и называется адиабатически изолированной.
Обобщая: в конечном процессе элементарные количества теплоты могут быть любого знака. Общее количество теплоты, которое мы назвали просто — это алгебраическая сумма количеств теплоты, сообщаемых на всех участках этого процесса. В ходе процесса теплота может поступать в систему или уходить из неё разными способами.
При отсутствии работы над системой и потоков энергии-вещества, когда , , , выполнение системой работы приводит к тому, что , и энергия системы убывает. Поскольку запас внутренней энергии ограничен, то процесс, в котором система бесконечно долгое время выполняет работу без подвода энергии извне, невозможен, что запрещает существование вечных двигателей первого рода.
Первое начало термодинамики:
- при изобарном процессе
- при изохорном процессе ()
- при изотермическом процессе