Первый закон (первое начало) термодинамики

Представим, что мы изучаем систему материальных тел (это может быть совокупность каких-то предметов - тетрадь, ручка, сумка и т. д., или молекулы газа, или раствор, словом, что угодно). Эта система тел отделена от окружающего мира некоторой оболочкой, воображаемой или действительной (скажем, газ или раствор в стеклянном сосуде, вещи в рюкзаке и т. д.). Примером может служить система «идеальный газ в цилиндре с поршнем».

Допустим, что на газ оказано внешнее воздействие. К примеру, кто-то сдвинул поршень влево или вправо. Ясно, что количество газа при этом не изменилось, а вот его объем и давление стали другими. Можно сказать так: система откликнулась на внешнее воздействие.

Форма отклика может быть разной в зависимости от характера воздействия. Первая форма - это теплоперенос. В этом случае система теряет или приобретает некоторое количество теплоты (ΔQ) вследствие того, что ее нагрели, или охладили, или оказали на нее механическое воздействие и т. д.

Теплоперенос невозможен, если система изолирована в тепловом отношении (тогда она не может обмениваться теплотой с внешним миром и ΔQ = 0). Процессы, которые происходят в такой системе, называют адиабатными.

Бывает и иная форма отклика системы на внешнее воздействие - это так называемые рабочие действия, или работа. Скажем, система может совершать различные действия: механические (газ, расширяясь, двигает поршень, поднимает груз, вращает колесо и т. д.), электрические (между системой, допустим батарейкой, и внешней средой идет электрический ток) или какие-либо иные. Обозначим общее количество работы (любого вида) через A.

Рассмотрим теперь конкретный случай. Система совершает работу над внешними телами. К примеру, газ, расширяясь, двигает поршень. Кроме того, допустим, что при этом система получает тепло из внешней среды (мы нагреваем цилиндр с газом), т. е. Q > 0.

В результате этих процессов (теплоперенос плюс работа) изменяется внутренняя энергия системы на величину ΔU. (Вспомните, что такое внутренняя энергия тела U.) В нашем примере (газ получает количество теплоты ΔQ извне и совершает работу A над поршнем) внутренняя энергия системы (т. е. газа) уменьшается при совершении ею работы над внешними телами (поршнем) и увеличивается в результате притока тепла извне, т. е. в соответствии с законом сохранения энергии мы можем записать

ΔU = ΔQ - A.

В отличие от закона сохранения энергии в механике в уравнении ΔU = ΔQ - A фигурирует величина ΔQ. Изучение движения и превращения внутренней энергии составляет предмет термодинамики, а уравнение ΔU = ΔQ - A представляет собой математическую запись так называемого первого закона (первого начала) термодинамики.

Величина ΔU (в отличие от ΔQ и A) обладает одним важным свойством: если система переходит из одного (начального) состояния в другое (конечное), то изменение ее внутренней энергии ΔU не зависит от пути, по которому совершился этот переход, т. е. величина ΔU не зависит от того, с помощью каких именно процессов (из числа возможных) система перешла из начального в конечное состояние. Значение величины ΔU определяется только начальным и конечным состояниями. Величины, которые, подобно U, обладают указанным свойством, называют функциями состояния системы.

Читать далее