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: $\delta Q=T dS$.

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

$\Q = \Delta U + A$

б) при изохорном процессе (A=0)

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

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

$\Q = A = {m\over M} R T ln {v1\over v2}$

См. также

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

Внешние ссылки

Первый закон термодинамики в теории относительности

af:Die wet van die behoud van energie ca:Primer principi de la termodinàmica cs:První termodynamický zákon da:Termodynamikkens 1. lov de:Thermodynamik#Erster Hauptsatz el:Πρώτος Θερμοδυναμικός Νόμος en:First law of thermodynamics eo:Unua leĝo de termodinamiko es:Primera ley de la termodinámica fr:Premier principe de la thermodynamique he:החוק הראשון של התרמודינמיקה hr:Prvi zakon termodinamike id:Hukum pertama termodinamika it:Primo principio della termodinamica ko:열역학 제1법칙 nl:Eerste wet van de thermodynamica pl:Pierwsza zasada termodynamiki sk:Prvá termodynamická veta sl:Prvi zakon termodinamike sr:Први принцип термодинамике th:กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ uk:Перший закон термодинаміки vec:Primo prinsipio de ła termodinàmica zh:热力学第一定律