Законы термодинамики

Первый закон (первое начало) термодинамики.Это закон сохранения энергии применительно к термодинамическим процессам. Формулируется он следующим образом:

Количество теплоты, подводимой к термодинамической системе, расходуется на изменение ее внутренней энергии и на работу по изменению объема системы.

Q = ∆U + L (12)

Работапо изменению объема газа.

При этом газ совершает работу, равную:

L = F(l₂ – l₁) = FΔl, где F – сила, с которой газ действует на поршень. Величину силы можно найти через давление газа и площадь поверхности поршня:

F = pS. Тогда L = pSΔl = pΔV.

Таким образом, при изобарном расширении газа работа расширения равна произведению давления газа на изменение объема.

Рассмотрим произвольный процесс 1-2 в p – V диаграмме (рис.2). p – V диаграммой принято называть графическое изображение термодинамического процесса в координатах p – V.

	Рис. 1. Работа газа в цилиндре под поршнем в процессе изобарного расширения

 

Пусть точка 1 на диаграмме характеризует начальное состояние системы, а точка 2 – ее конечное состояние. При переходе системы из состояния 1 в состояние 2 происходит изменение давления, поэтому пользоваться приведенной выше формулой для определения работы расширения нельзя.

Выделим на кривой 1 – 2 малый участок размером ΔV. На малом участке ΔV можно считать p ≈ const. Причем это утверждение будет тем точнее, чем меньше участок ΔV. Работа расширения газа в этом случае может быть найдена по формуле для изобарного процесса ΔL = pΔV. Геометрически это означает, что работа равна площади прямоугольника под кривой на участке ΔV. Такие же рассуждения можно провести для соседних участков шириной ΔV.

Следовательно, работа, совершенная на всем участке 1 – 2, будет равна сумме площадей элементарных прямоугольников под кривой 1-2, переходя в пределе ΔV → 0 к элементарной работе, можно записать ΔL = p dV. сходя из того, что площадь под кривой на графике функции, можно представить определенным интегралом, получим следующее выражение для работы расширения в произвольном процессе:

 

	Рис. 2. р-V диаграмма процесса расширения газа

 

 

Первый закон термодинамики в этом случае можно записать так:

Работа считается положительной, если ее совершает система над окружающей средой. Это процесс расширения газа. Если работу совершает окружающая среда над системой (сжатие газа), работа считается отрицательной.