Первое начало термодинамики

Тела и системы могут обмениваться энергией друг с другом. Существует два вида обмена энергией. Это может быть работа, произведенная одним телом (системой) над другим телом (системой) в результате упорядоченного движения. Примером может служить перемещение тела или его частей под действием упругих, электрических или других сил.

Другой способ обмена энергией — путем передачи энергии неупорядоченного, хаотического движения молекул. Тогда говорят о передаче тепла. Например, передача энергии от нагретого тела к холодному происходит за счет передачи кинетической энергии хаотически движущихся молекул одного тела хаотическому движению молекул другого тела.

Условимся количество теплоты, подводимое к телу, обозначать Q¹, а получаемое от тела (отводимое) — символом Q¹.

Аналогично работу, совершаемую над газом, т. е. работу по сжатию газа, будем обозначать А¹, а работу, которую газ, расширяясь, совершает над внешними теРис. 3 6 а лами — символом А^т.

Если телу сообщить некую энергию Q¹ за счет теплопередачи или совершить над ним работу А^А, то эта энергия пойдет на увеличение его внутренней энергии U на &U:

(рис. 3.6, а). Чаще, однако, принимают во внимание не работу, произведенную над телом, а работу, которую тело само производит над внешними телами А^т = -А¹.

На рисунке 3.6, б показана теплота, подведенная от источника S, которая расходуется на изменение внутренней энергии газа, а газ, расширяясь, двигает поршень, производя работу А^т. В этом случае равенство (3.26) примет вид.

Эти соотношения есть не что иное, как закон сохранения энергии. Соотношение (3.27) читается так: «Подведенное к телу количество теплоты идет на увеличение внутренней энергии тела и на работу, которую тело производит». Это утверждение получило название первого начала термодинамики. Запись первого начала в форме (3.27) появилась исторически, так как термодинамика развивалась как наука о тепловых машинах, преобразующих теплоту в работу (паровая машина, двигатель внутреннего сгорания и т. д.).

Очень важно еще раз отметить различие между величинами U с одной стороны и величинами А и Q — с другой. Внутренняя энергия U — это функция состояния системы. Если в состоянии 1 внутренняя энергия равна U, то что бы ни происходило с системой, какую бы работу она ни совершала, какие бы количества теплоты к ней ни подводились, если система вернулась в то же состояние (т. е. процесс оказался круговым, совершен цикл), ее внутренняя энергия будет снова UРис. 3.6, б В то же время AQ и ДА — это только передаваемые телу или получаемые от тела порции энергии. Они связаны с передачей энергии, а не с каким-то запасом их в теле. Бессмысленно говорить о запасе работы в теле. И так же бессмысленно говорить о запасе теплоты в теле. Работа и теплота не являются функциями состояния тела. Порох при взрыве может дать много теплоты и произвести большую работу, но это не значит, что эта теплота и эта работа в нем содержались. Это только результат изменения внутренней энергии пороха, в следствие чего другим телам была передана энергия в виде упорядоченного движения (А^т) и в виде неупорядоченного (Q^T).

Понятия «количество тепла в теле», «теплоемкость», «уравнение теплового баланса» (при обмене теплотой между телами) устарели в тот момент, когда было показано, что работа может переходить в теплоту или во внутреннюю энергию тела. Тем не менее термин «теплоемкость» сохраняют, хотя и придают ему иной смысл (см. далее). Что касается уравнения теплового баланса (сколько теплоты при теплообмене потеряли одни тела, столько приобрели другие):

то его можно использовать только в том случае, если есть уверенность, что система изолирована и между телами не происходит обмена энергией в виде работы (А = 0). Приблизительно так обстоит дело при опускании горячего тела в калориметр с водой.

Переходя к бесконечно малым порциям энергии, запишем первое начало так:

Здесь специально даны разные обозначения бесконечно малых («5…» и «(?..»), чтобы отразить то обстоятельство, что U — функция состояния, a Q и, А — нет.