Первое начало термодинамики

Первое начало термодинамики — одно из основных положений термодинамики, являющееся, по существу, законом сохранения энергии в применении к термодинамическим процессам.

Первое начало термодинамики было сформулировано в середине XIX века в результате работ Ю. Р. Майера, Джоуля и Г. Гельмгольца. Первое начало термодинамики часто формулируют как невозможность существования вечного двигателя 1-го рода, который совершал бы работу, не черпая энергию из какого-либо источника.

Формулировка

1) Количество теплоты, полученное системой, идёт на изменение её внутренней энергии и совершение работы против внешних сил.

2) Изменение внутренней энергии системы при переходе её из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе и не зависит от способа, которым осуществляется этот переход.

Первый закон (первое начало) термодинамики можно сформулировать так:

«Изменение полной энергии системы в квазистатическом процессе равно количеству теплоты $Q$, сообщённого системе, в сумме с изменением энергии, связанной с количеством вещества $N$ при химическом потенциале $\mu$, и работы $A'$, совершённой над системой внешними силами и полями, за вычетом работы $A$, совершённой самой системой против внешних сил» :

$\Delta U=Q-A+\mu \Delta N+A'$.

Для элементарного количества теплоты $\delta Q$, элементарной работы $\delta A$ и малого приращения (полного дифференциала) $dU$ внутренней энергии первый закон термодинамики имеет вид:

$dU=\delta Q-\delta A+\mu dN+\delta A'$.

Разделение работы на две части, одна из которых описывает работу, совершённую над системой, а вторая — работу, совершённую самой системой, подчёркивает, что эти работы могут быть совершены силами разной природы вследствие разных источников сил.

Важно заметить, что $dU$ и $dN$ являются полными дифференциалами, а $\delta A$ и $\delta Q$ — нет. Приращение теплоты часто выражают через температуру и приращение энтропии: $\delta Q=TdS$.

Случаи

Рассмотрим несколько случаев:

1. Если $\delta Q>0$, то это означает, что тепло к системе подводится.
2. Если $\delta Q<0$, аналогично — тепло отводится.
3. Если $\delta Q=0$, то систему называют адиабатически изолированной.

Обобщая: в конечном процессе $1\to 2$ элементарные количества теплоты могут быть любого знака. Общее количество теплоты, которое мы назвали просто $Q$ — это алгебраическая сумма количеств теплоты, сообщаемых на всех участках этого процесса. В ходе процесса теплота может поступать в систему или уходить из неё разными способами.

При отсутствии работы над системой и потоков энергии-вещества, когда $\delta A'=0$, $\delta Q=0$, $dN=0$, выполнение системой работы $\delta A$ приводит к тому, что $\Delta U<0$, и энергия системы $U$ должна убывать. Из ограниченности энергии $U$ как раз и следует невозможность двигателя первого рода, выполняющего бесконечную работу за счёт собственной энергии

Первое начало термодинамики:

а) при изобарном процессе

$\mathbb {Q} =\Delta U+A$

б) при изохорном процессе (A=0)

$\mathbb {Q} =\Delta U={m \over M}C\Delta T$

в) при изотермическом процессе $(\Delta U=0)$

$\mathbb {Q} =A={m \over M}RTln{v1 \over v2}$

См. также

• Нулевое начало термодинамики
• Второе начало термодинамики
• Третье начало термодинамики

Внешние ссылки

Первый закон термодинамики в теории относительности

---

Эта страница использует содержимое раздела Википедии на русском языке. Оригинальная статья находится по адресу: Первое начало термодинамики. Список первоначальных авторов статьи можно посмотреть в истории правок. Эта статья так же, как и статья, размещённая в Википедии, доступна на условиях CC-BY-SA .

---