Первый закон термодинамики

Первое начало термодинамики – один из трех основных законов термодинамики, представляет собой закон сохранения энергии для термодинамических систем.

Первое начало термодинамики было сформулировано в середине XIX века в результате работ немецкого ученого Ю.Р. Майера, английского физика Дж.П. Джоуля и немецкого физика Г. Гельмгольца. Согласно первому началу термодинамики, термодинамическая система может совершать работу только за счет своей внутренней энергии или каких-либо внешних источников энергии. Первое начало термодинамики часто формулируют как невозможность существования вечного двигателя первого рода, который совершал бы работу, не черпая энергию из какого-либо источника.

Можно сказать и так: количество теплоты, полученное системой, идет на изменение ее внутренней энергии и совершение работы против внешних сил.

Изменение внутренней энергии системы при переходе ее 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 (ввиду сложности рассматриваемых процессов). Иными словами, внутренняя энергия является функцией состояния. В циклическом процессе внутренняя энергия не изменяется.

\(\oint dU = 0\)

Рассмотрим несколько частных случаев:

1. Если \(\delta Q>0,\) то это означает, что тепло к системе подводится.
2. Если \(\delta Q<0,\) аналогично – тепло отводится.
3. Если \(\delta Q = 0,\) то система не обменивается теплом с окружающей средой и называется адиабатически изолированной.

При отсутствии работы над системой и потоков энергии – вещества, когда \(\delta A' = 0, \delta Q = 0, dN = 0,\) выполнение системой работы \(\delta A\) приводит к тому, что \(\Delta U<0,\) и энергия системы \(U\) убывает. Поскольку запас внутренней энергии U 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

\(Q=\Delta U+A=\Delta U+p\Delta V\);

• при изохорном процессе (\(A = 0\))

\(Q=\Delta U = \frac mMC_V\Delta T\);

• при изометрическом процессе (\(\Delta U=0\))

\(Q=A=\frac mMRT In\frac{V_2}{V_1}\).

Здесь \(m\) – масса газа,

\(M\)– молярная масса газа,

\(C_V\) – молярная теплоемкость при постоянном объеме,

\(p,V,T\) – давление, объем и температура газа соответственно, причем последнее равенство верно только для идеального газа.