Первый закон термодинамики

Первый закон термодинамики представляет собой фундаментальный принцип сохранения энергии в термодинамических системах. Он утверждает, что внутренняя энергия системы изменяется только за счёт обмена энергией с окружающей средой в форме работы и тепла. Математически закон формулируется как:

ΔU = Q − W

где:

• ΔU — изменение внутренней энергии системы,
• Q — количество теплоты, полученной системой (положительное значение при поступлении тепла, отрицательное при отдаче),
• W — работа, совершённая системой над внешними объектами (положительное значение, если работа совершается системой, отрицательное, если работа совершается над системой).

Внутренняя энергия

Внутренняя энергия (U) — это суммарная энергия всех микроскопических составляющих системы: кинетическая энергия молекул, потенциальная энергия межмолекулярного взаимодействия, энергия химических связей. Внутренняя энергия является функцией состояния, то есть её изменение зависит только от начального и конечного состояния системы, а не от пути перехода между ними.

Тепло и работа

Тепло (Q) — энергия, передаваемая системе вследствие разности температур с окружающей средой. Передача тепла происходит самопроизвольно от тела с более высокой температурой к телу с более низкой.

Работа (W) — энергия, переданная системе или системой внешним объектам в результате механических, электрических или других процессов. В термодинамике часто рассматривается механическая работа расширения газа:

W = ∫_Vi^V_fP dV

где P — давление, V_i и V_f — начальный и конечный объём.

Формы процесса и изменение энергии

Процесс изменения состояния системы может быть изохорным, изобарным, изотермическим или адиабатным. Каждый из них накладывает свои особенности на первый закон термодинамики:

• Изохорный процесс (V = const): работа равна нулю (W = 0), тогда ΔU = Q. Вся переданная теплота идёт на изменение внутренней энергии.
• Изобарный процесс (P = const): работа равна W = PΔV, а изменение внутренней энергии определяется по закону ΔU = Q − PΔV.
• Изотермический процесс (T = const): внутренняя энергия идеального газа не изменяется (ΔU = 0), следовательно Q = W.
• Адиабатный процесс (Q = 0): теплопередача отсутствует, изменение внутренней энергии полностью определяется совершённой работой: ΔU = −W.

Энергетический баланс и знаки

Первый закон термодинамики требует строгого учёта знаков энергии:

• Если система получает тепло, Q > 0; если отдаёт, Q < 0.
• Если система совершает работу над внешней средой, W > 0; если работа совершается над системой, W < 0.

Правильное определение знаков критично для расчётов энергетического баланса.

Применение первого закона

Первый закон лежит в основе расчётов:

• Тепловых машин — определение полезной работы и КПД.
• Химических реакций — учёт теплового эффекта реакции и работы расширения газов.
• Фазовых переходов — энергетические расчёты при плавлении, испарении или конденсации.

Он обеспечивает необходимую связь между теплотой и работой, позволяя количественно оценивать обмен энергией между системой и окружающей средой.

Связь с внутренними свойствами вещества

Изменение внутренней энергии отражает микроскопические процессы в веществе:

• увеличение кинетической энергии частиц при нагревании,
• изменение потенциальной энергии при разрыве или образовании химических связей,
• преобразование энергии при фазовых переходах.

Для идеального газа внутренняя энергия зависит только от температуры (U = U(T)), что упрощает расчёты при изохорных и адиабатных процессах.

Заключение энергетических соотношений

Первый закон термодинамики объединяет закон сохранения энергии с термодинамическими явлениями, устанавливая количественную связь между теплотой, работой и изменением внутренней энергии. Он является основой для всех дальнейших исследований термодинамических процессов и анализа энергетических систем.