Анализ уравнения первого начала термодинамики

Как известно, любое физическое тело, в частности рабочее тело-газ и пар, обладает внутренней энергией. Количество её не является постоянным. При взаимодействии с другими телами, например с внешней средой, внутренняя энергия рабочего тела может уменьшаться или увеличиваться. Это взаимодействие проявляется в двух формах: в форме теплоты путём теплообмена и в форме механической работы. В случае теплообмена теплота может подводиться из внешней среды к рабочему телу или отводиться от него во внешнюю среду. В первом случае внутренняя энергия рабочего тела увеличивается, во втором — уменьшается.

При механической работе рабочее тело может расширяться, т. е. производить работу за счёт своей внутренней энергии, которая при этом будет уменьшаться. Или рабочее тело будет сжиматься, для чего потребуется совершение работы сжатия внешней средой (внешними силами). При этом внутренняя энергия рабочего тела увеличится. Работа расширения и сжатия называется работой изменения объёма. Следует иметь в виду, что поскольку работа, как и теплота, является одной из форм передачи энергии от одного тела к другому, то такие общепринятые выражения, как превращение теплоты в работу или работы в теплоту, являются условными. Точнее было бы говорить о получении телом энергии в форме теплоты (или работы) и передаче им этой энергии в форме работы (или теплоты).

Во всех случаях общее количество внутренней энергии всех тел, участвующих во взаимодействии, если они образуют изолированную систему, остаётся постоянным, что следует из всеобщего закон сохранения и превращения энергии, согласно которому при всех превращениях она не исчезает и не создаётся, а лишь переходит из одного вида в другой. Первым, кто пришёл к выводу о сохранении и превращении энергии, был М. В Ломоносов. Математически этот всеобщий закон выражается уравнением первого начала термодинамики.

Q _1,2 = (U₂ -U₁) + L_1,2,.

Где Q _1,2 — теплота, подводимая или отводимая в процессе 1−2;

U₂ и U₁ — внутренняя энергия в начале и в конце процесса 1−2;

L_1,2 — работа изменения объёма в процессе 1−2.

Из этого уравнения видно, что вся подведённая к рабочему телу теплота расходуется на изменение внутренней энергии и на совершение работы изменения объёма. Для рабочего тела массой 1 кг уравнение первого начала термодинамики принимает вид:

q _1,2= (u_2- u₁)+ l_1,2 ,.

где q _1,2 — удельная теплота, подводимая или отводимая в процессе 1−2;

u₂ -u₁ -удельная внутренняя энергия в начале и в конце процесса 1−2;

l_1,2 — удельная работа изменения объёма в процессе 1−2.

Уравнение первого начала термодинамики действительно при взаимодействии рабочего тела с внешней средой в общем виде, поэтому величины, входящие в него, являются алгебраическими; в отдельных конкретных случаях их значения могут равняться нулю, быть положительными или отрицательными. Для определения знака каждой из этих величин руководствуются следующими правилами:

• — внешняя теплота Q _1,2 является положительной, если она подводится к рабочему телу, и отрицательной, если отводится от него;
• — работа изменения объёма L_1,2 будет положительной, если она совершается рабочим телом (т.е. при расширении рабочего тела), и отрицательной, если совершается внешней средой над рабочим телом (т.е. при сжатии рабочего тела);
• — изменение внутренней энергии является положительной величиной, если эта энергия увеличивается. В этом случае в конце процесса 1−2 конечное значение внутренней энергии должно быть больше начального, т. е. U₂ >U₁, а поэтому разность U₂ -U₁>0. Если же в процессе 1−2 внутренняя энергия уменьшается, значит, U₂ 1 и U₂ -U₁<0.

Из уравнения первого начала термодинамики следует также, что невозможно создать вечный двигатель первого рода, т. е. двигатель, который производил бы работу без затраты энергии.