5. Первый закон термодинамики

Обобщая полученные результаты рассмотрений способов изменений внутренней энергии, можем записать:

 ΔU=Q+A \boxed { ΔU = Q + A }  — первый закон термодинамики.

По сути, мы видим закон сохранения энергии, записанный для тепловых процессов, но это и есть первый закон термодинамики.

Изменение внутренней энергии термодинамической системы равно сумме полученного  количества теплоты и работы, совершённой над ней окружающими телами.

Можно проиллюстрировать первый закон термодинамики и на другом примере: Если газ заперт в легком цилиндре под поршнем (рис. 10), а цилиндру сообщить количество теплоты QQ, то газ нагреется, увеличив внутреннюю энергию, (теплоёмкостью цилиндра пренебрегаем), его давление увеличится, и он совершит работу над окружающими телами А'А^'.

Q= ΔU+A' \boxed { Q = ΔU + A^' }  — первый закон термодинамики.

Количество теплоты, переданное термодинамической системе, расходуется на изменение внутренней энергии системы и на совершение работы системой над окружающими телами.

В последних формулах встретились работы AA и A'A^'. Напомним, что

  • A'A^' – работа термодинамической системы над окружающими телами.

AA – работа окружающих тел над термодинамической системой.

При равномерном движении поршня сила, действующая на поршень со стороны газа, расположенного внутри цилиндра, равна по модулю и противоположна по направлению силе, действующей на газ со стороны поршня.

Очевидно, что

A=-A' \boxed { A = - A^' }

Работа окружающих тел над системой равна и противоположна по знаку работе системы над окружающими телами.

Первый закон термодинамики имеет одно важное следствие:

Невозможно создать вечный двигатель первого рода.

Т. е. невозможно создать двигатель, который непрерывно и бесконечно долго совершал бы работу без потребления энергии из окружающей среды. И действительно: если Q=0 Q = 0 , то A'=-ΔU  A^' = - ΔU , следовательно, система может совершить вполне конечную работу, не превосходящую запаса внутренней энергии системы.

Коротко остановимся на терминологии, используемой при описании тепловых процессов.

Термодинамический процесс называется обратимым, если при совершении его в прямом, а потом в обратном направлении все тела, включая саму систему, вернутся в исходное состояние.

Необходимым и достаточным условием обратимости процесса является равновесность его промежуточных состояний.

Употребляются также термины: равновесный, или квазистатический процессы. Равновесные процессы можно описать графически, неравновесный – невозможно.

Реальные процессы сопровождаются теплообменом, диффузией, трением (необратимыми процессами), следовательно, большинство реальных процессов являются необратимыми.

Круговым процессом (циклом) называют термодинамический процесс, в результате совершения которого система возвращается в исходное состояние. Равновесный круговой процесс можно изобразить графически, при этом график процесса представляет собой замкнутую линию.

В прямом круговом процессе система за цикл совершает положительную работу (см. рис. 11 слева).

В обратном круговом процессе система за цикл совершает отрицательную работу (см. рис. 11 справа).