Первый закон Термодинамики

Теоретические сведения

Термодинамика – наука о взаимопревращениях различных форм энергии и законах этих превращений. Термодинамика базируется только на экспериментально обнаруженных объективных закономерностях, выраженных в двух основных началах термодинамики.

Термодинамика изучает:

1. Переходы энергии из одной формы в другую, от одной части системы к другой;

2. Энергетические эффекты, сопровождающие различные физические и химические процессы и зависимость их от условий протекания данных процессов;

3. Возможность, направление и пределы самопроизвольного протекания процессов в рассматриваемых условиях.

Основные понятия Термодинамики

Термодинамическая система – тело или группа тел, отделенная действительной или воображаемой границей от окружающей среды. Окружающая среда – это все то, что находится вне системы.

Термодинамические системы классифицируются:

1) по способности взаимодействовать с внешней средой;

2) по составу;

3) по количеству фаз.

Изолированная система – система, которая не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией и имеющая P = const.

Закрытая система – система, которая обменивается с окружающей средой энергией, но не обменивается веществом.

Открытая система – система, которая обменивается с окружающей средой и веществом и энергией.

Гомогенная система – система, внутри которой нет поверхностей, разделяющих отличающиеся по свойствам части системы (фазы).

Гетерогенная система– система, внутри которой присутствуют поверхности, разделяющие отличающиеся по свойствам части системы.

Фаза– совокупность гомогенных частей гетерогенной системы, одинаковых по физическим и химическим свойствам, отделённая от других частей системы видимыми поверхностями раздела.

Так, в системе, состоящей из жидкой воды и льда, имеется 2 фазы – жидкая вода и лед. Фаза, состоящая из одного химически индивидуального вещества, называется простой (чистой), а фаза, содержащая два индивидуальных вещества или больше – смешанной фазой. Любая гомогенная система представляет собой одну фазу. Гетерогенная система содержит не менее двух фаз.

Системы характеризуются некоторыми физическими и химическими свойствами: давлением (Р), объемом (V), температурой (Т), количеством вещества. Свойства, характеризующие состояние системы, называют параметрами состояния системы.

Первый закон Термодинамики

Если система обменивается теплом с окружающими телами и совершает работу (положительную или отрицательную), то изменяется состояние системы, т. е. изменяются ее макроскопические параметры (температура, давление, объем). Так как внутренняя энергия U однозначно определяется макроскопическими параметрами, характеризующими состояние системы, то отсюда следует, что процессы теплообмена и совершения работы сопровождаются изменением ΔU внутренней энергии системы.

Первый закон термодинамики является обобщением закона сохранения и превращения энергии для термодинамической системы. Он формулируется следующим образом:

«Изменение ΔU внутренней энергии неизолированной термодинамической системы равно разности между количеством теплоты Q, переданной системе, и работой A, совершенной системой над внешними телами».

ΔU = Q – A.

Данное соотношение часто записывают в другой форме:

Q = ΔU + A.

Количество теплоты, полученное системой, идет на изменение ее внутренней энергии и совершение работы над внешними телами.

Согласно первому закону термодинамики, энергия не может быть создана или уничтожена; она передается от одной системы к другой и превращается из одной формы в другую.

Следствие из первого закона термодинамики: невозможно создать машину, способную совершать полезную работу без потребления энергии извне и без каких-либо изменений внутри самой машины (такая гипотетическая машина получила название вечного двигателя первого рода).

Имеется несколько формулировок первого закона термодинамики, однако все они отражают эквивалентность энергии при переходе различных видов ее друг в друга:

1. В изолированной системе сумма всех видов энергии есть величина постоянная

2. Невозможно создать вечный двигатель первого рода, так как невозможно создать машину, которая производит работу без подведения энергии извне.