Первое начало термодинамики.

Рассмотрим термодинамическую систему, для которой механическая энергия не изменяется , а изменяется лишь её внутренняя энергия . Внутренняя энергия системы может изменяться в результате различных процессов, например совершения над системой работы или сообщение ей теплоты . Так, вдвигая поршень в цилиндр , в котором находится газ, мы сжимаем этот газ, в результате чего его температура повышается , т.е. тем самым изменяется (увеличивается) внутренняя энергия газа . С другой стороны , температуру газа и его внутреннюю энергию можно увеличить за счёт сообщения ему некоторого количества теплоты –энергии, переданной системе внешними телами путём теплообмена (процесс обмена внутренними энергиями при контакте тел с разными температурами ) .

Таким образом, можно говорить о двух формах передачи энергии от одних тел к другим: работе и теплоте. Энергия механического движения может превращаться в энергию; применительно к термодинамическим процессам этим законом и является первое начало термодинамики установленное в результате обобщения многовековых опытных данных.

Допустим, что некоторая система (газ, заключённый в цилиндр под поршнем), обладая внутренней энергией , получила некоторое количество теплоты и, перейдя в новое состояние, характеризующееся внутренней энергией , совершила работу над внешней средой, т.е. против внешних сил. Количество теплоты считается положительным, когда оно подводится к системе, а работа – положительной, когда система совершает её против внешних сил.

рис.1

Опыт показывает, что в соответствии с законом сохранения энергии при любом способе перехода системы из первого состояния во второе изменение внутренней энергии будет одинаковым и равным разности между количеством теплоты , полученным системой, и работой совершаемой против внешних сил :

.

или

. ( 2)

Уравнение (2) выражает первое начало термодинамики: теплота, сообщаемая системе, расходуется на изменение её внутренней энергии и на совершение ею работы против внешних сил. Выражение (2) в дифференциальной форме будет иметь вид

.

или в более корректной форме

. (3)

Где -бесконечно малое изменение внутренней энергии системы, δA - элементарная работа , – бесконечно малое количество теплоты. В этом выражении является полным дифференциалом, а и таковыми не являются. В дальнейшем будем использовать запись первого начала термодинамики в форме (3).

Из формулы (2) следует, что в СИ количество теплоты выражается в тех же единицах, что работа и энергия, т.е. в джоулях (Дж).

Если система периодически возвращается в первоначальное состояние, то

изменение её внутренней . Тогда, согласно первому началу термодинамики,,т.е. вечный двигатель первого рода – периодически действующий двигатель, который совершал бы большую работу , чем сообщенная ему извне энергия ,- невозможен ( одна из формулировок первое начало термодинамики ).