Конкурсы/Энциклопедия юных 2022/Естественно-технические конкурсные статьи/Первое начало термодинамики

Первое начало термодинамики, или первый закон термодинамики, — один из двух основных законов термодинамики, устанавливающий количественные соотношения, которые имеют место при превращении одного вида энергии в другие.

Формулировки

В соответствии с первым началом термодинамики количество теплоты, сообщаемое закрытой системе (то есть системе, которая не обменивается веществом с окружающей средой), затрачивается на приращение её внутренней энергии и совершение системой работы над внешними силами:

$Q=U_2-U_1+A=\mathrm{\Delta }U+A,$

где

• $Q$ — количество теплоты, подведённой к системе,
• $U_1$ и $U_2$ — внутренняя энергия системы до и после подведения к ней тепла,
• $\mathrm{\Delta }U$ — приращение внутренней энергии системы,
• $A$ — работа, совершённая системой над внешними силами,

или в дифференциальной форме:

$\delta Q=dU+\delta A.$

Часто вместо работы системы над внешними силами $A$ рассматривают работу внешних сил над системой $A^{\prime }$. С учётом того, что $A^{\prime }=-A$, первое начало термодинамики можно сформулировать следующим образом: изменение внутренней энергии системы при переходе её из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества тепла, переданного системе, и не зависит от способа, которым осуществлялся этот переход:

$\mathrm{\Delta }U=A^{\prime }+Q.$

В силу того, что под первым началом термодинамики, как правило, подразумевают одно из следствий закона сохранения энергии, иногда оно также формулируется следующим образом: невозможен вечный двигатель (перпетуум мобиле) первого рода, то есть такой двигатель, который совершал бы работу в большем количестве, чем получаемая им извне энергия. Если к системе поступает количество теплоты, меньшее, чем совершаемая её работа ($Q<A$), то избыточная работа может быть совершена только за счёт убыли внутренней энергии; после того, как запас внутренней энергии системы будет исчерпан, двигатель перестанет работать.

Первое начало термодинамики в изопроцессах

Изопроцессы являются частными случаями термодинамических процессов, во время которых количество вещества и один из параметров состояния (давление, объём, температура или энтропия) остаются неизменными. Для каждого из изопроцессов первое начало термодинамики можно записать в следующих видах:

• адиабатный процесс — энтропия системы постоянна ($S=\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{n}\mathrm{s}\mathrm{t}$), тепло к системе не подводится ($Q=0$):

$0=\mathrm{\Delta }U+A,$

или

$\mathrm{\Delta }U=-A;$

• изотермический процесс — температура системы постоянна ($T=\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{n}\mathrm{s}\mathrm{t}$), величина внутренней энергии также постоянна ($\mathrm{\Delta }U=U_2-U_1=0$):

$Q=A;$

• изохорный процесс — объём системы постоянен ($V=\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{n}\mathrm{s}\mathrm{t}$), работа над внешними силами не совершается ($A=0$):

$Q=\mathrm{\Delta }U;$

• изобарный процесс — давление системы постоянно ($p=\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{n}\mathrm{s}\mathrm{t}$):

$Q=\mathrm{\Delta }U+A=Q=\mathrm{\Delta }U+p\cdot \mathrm{\Delta }V,$

где $\mathrm{\Delta }V$ — изменение объёма системы.

См. также

• Второе начало термодинамики

Литература

• Шаблон:Книга
• Шаблон:Книга
• Шаблон:Книга