Первое начало термодинамики

На что будет расходоваться подводимое к системе тепло? При ответе на этот вопрос необходимо определиться с понятием внутренней энергии тела (термодинамической системы).

В общем случае внутренней энергией тела называется кинетическая и потенциальная энергия молекул этого тела плюс внутримолекулярная энергия. Имеется в виду потенциальная энергия взаимодействия между молекулами тела, а не их потенциальная энергия во внешнем поле сил (например, в поле сил тяжести).

Внутренняя энергия обладает той особенностью, что в термодинамические формулы входит не она, а ее изменение или производная по какому-либо параметру. Поэтому внутреннюю энергию можно определять с точностью до произвольной постоянной. Если же еще учтем, что в термодинамике обычно изучаются процессы, при которых внутримолекулярная энергия остается постоянной, то в дальнейшем можно пользоваться простейшим определением: внутренняя энергия тела складывается из кинетической и потенциальной энергии его молекул.

Внутренняя энергия является функцией состояния системы.

Понятие функции состояния — важное понятие в физике. Определим его.

Функцией состояния системы называется такая функция, которая независимо от предыстории системы в данном состоянии имеет присущее этому состоянию значение.

То, что внутренняя энергия является функцией состояния означает, что независимо от пути перехода системы из начального положения в конечное разность значений внутренней энергии будет одной и той же и всегда равна разности значений в конечном и начальном состояниях.

Подводимое к системе тепло dQ будет расходоваться на изменение внутренней энергии dU и на совершении этой системой работы над внешними телами dA. При этом, конечно, выполняется закон сохранения энергии.

Выражение (1.1) называют первым началом термодинамики. По существу здесь ничего особенного нет, это просто закон сохранения энергии с учетом тепловых процессов.

Запишем формулировку первого начала словами: количество тепла, сообщенное системе, идет на приращение внутренней энергии системы и на совершение системой работы над внешними телами.

То же самое можно сформулировать еще проще: невозможен вечный двигатель первого рода, т. е. двигатель, производящий работу из ничего.

Вечным двигателем первого рода называют двигатель с коэффициентом полезного действия (КПД) более 100% (ц > 100%).

В частном случае подводимое к системе тепло может быть равно нулю (dQ = 0), т. е. процесс протекает без теплообмена с внешней средой. Такой процесс называется адиабатическим.

Уравнение адиабатического процесса внешне похоже на уравнение изотермического процесса.

Уравнение изотермы идеального газа:

Уравнение адиабаты идеального газа: где.

В выражении (1.4) С_р и C_v — теплоемкости при постоянном давлении и постоянном объеме соответственно. Важно, что теплоемкость при постоянном давлении С_р всегда больше теплоемкости при постоянном объеме, потому что при р = const нагреваемое тело расширяется и часть подводимой теплоты расходуется на совершение работы над внешними телами. Следовательно, всегда у > 1.