Первый закон термодинамики

«Первый закон термодинамики, как и закон сохранения энергии в механике, часто дает возможность исследовать тепловые процессы в макроскопических системах даже в тех случаях, когда нам не известны детали микроскопической картины изучаемых явлений.

Первый закон универсален, он применим ко всем без исключения тепловым процессам в любых системах. Как и всякий закон сохранения, он не дает детальной информации о ходе процесса, но позволяет составить уравнение баланса, если заранее известно, какие энергетические превращения происходят в рассматриваемой системе.

Сделаем несколько замечаний о смысле входящих в уравнение первого закона величин. Количество переданной теплоты было определенно как мера изменения внутренней энергии системы при теплопередаче. Но не всегда подведение к системе теплоты приводит к изменению ее внутренней энергии. Например, при изотермическом расширении идеального газа подведение теплоты не сопровождается увеличением внутренней энергии газа. Внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры и при изотермическом процессе не меняется, но газ совершает работу, и величина этой работы равна подводимому к системе количеству теплоты.

Совершение внешними силами механической работы над системой также может не сопровождаться изменением ее внутренней энергии. Если сжимать идеальный газ, принимая меры к тому, чтобы его температура при этом не увеличивалась, то внутренняя энергия газа останется без изменения, а окружающим телам перейдет некоторое количество теплоты, равное совершенной над газом при его сжатии работе".

Применение первого закона термодинамики к процессам в одноатомных идеальных газах Изотермический процесс (Т = const):

При изотермическом процессе обмен энергией между идеальным газом и окружающими телами происходит и в форме теплопередачи, и в форме работы. Все подведенное к идеальному газу тепло затрачивается на совершение работы.

Если газ получает теплоту (Q > 0), то он совершает положительную работу (А` > 0), если газ отдает теплоту (Q < 0), то А` 0).

Изобарический процесс (р = const):

При изобарическом процессе обмен энергией между идеальным газом и окружающими телами происходит в форме работы и теплопередачи. Сообщенная идеальному газу теплота затрачивается и на изменение внутренней энергии, и на совершение газом работы:

Изохорический процесс:

При изохорическом процессе обмен между идеальным газом и окружающими телами происходит только в форме теплопередачи. Вся подведенная к идеальному газу теплота затрачивается на изменение его внутренней энергии:

Адиабатический процесс (Q = 0):

Адиабатический процесс — процесс, при котором физическая система не получает теплоты извне и не отдает ее. Этот процесс протекает без теплообмена с окружающими телами.

При адиабатическом процессе:

При адиабатическом процессе обмен энергией между идеальным газом и окружающими телами происходит только в форме работы. Работа при адиабатическом процессе совершается за счет изменения внутренней энергии газа.

Если А` > 0 (газ расширяется), то дельта U < 0 — температура газа понижается. Если же А` О — температура повышается".

Змеевик как тепловая машина. Посмотрим, как происходит протекание газа через змеевик. Если в змеевике газ охлаждается, т. е. отдает теплоту (Q0), то наш змеевик подобен тепловой машине — газ сам совершает работу над внешними телами. Этот результат не зависит от того, какова величина давления газа на выходе и на входе. Единственное условие при этом — давление на входе должно быть больше давления на выходе, иначе газ просто потечет в обратную сторону.

Попробуем при помощи компрессора прокачивать через змеевик газ в вакуум. Для того чтобы процесс можно было считать стационарным, сечение выходного отверстия нужно сделать много меньше сечения входного. Змеевик теплоизолируем от окружающей среды.

Совершаемая компрессором над газом работа положительна и равна полной совершаемой над газом работе, ибо, выходя за вакуум, газ работы не совершает. Так как нет обмена теплотой, налицо противоречие с утверждением о том, что при адиабатическом протекании работа равна нулю.

Это противоречие возникло потому, что при прокачивании газа в вакуум происходят и такие энергетические превращения, которые были совершенно несущественны. Действительно, первый закон термодинамики использовался в виде.

Q + A = U,.

бернулли уравнение термодинамика закон где U — внутренняя энергия газа. Поэтому при использовании такой формулировки первого закона термодинамики заранее молчаливо предполагается, что в рассматриваемых процессах не происходит изменения механической энергии системы, т. е. не меняется потенциальная энергия газа как целого во внешнем поле, не меняется и кинетическая энергия движения газа как целого, не возникает в газе никаких макроскопических потоков. Теперь уже становится ясно, что при прокачивании газа в вакуум возникает макроскопический направленный поток, кинетическую энергию которого необходимо учитывать. Работа компрессора в этом случае как раз и определяет кинетическую энергию этого потока.

Если вход и выход змеевика расположены на разной высоте, то в уравнении закона сохранения энергии необходимо учитывать и изменение потенциальной энергии газа в поле тяжести, подобно тому как это делалось в гидродинамике при выводе уравнения Бернулли.

• 1. Бутиков Е. И., Кондратьев А. С., Уздин В. М. Физика. Строение и свойства вещества. М. — С.-П., ФИЗМАТЛИТ.
• 2. Учебник «Физика-10» В. А. Касьянов, М., Дрофа, 2003.