Первое начало термодинамики | это... Что такое Первое начало термодинамики? (original) (raw)

Начала термодинамики

Статья является частью серии «Термодинамика».
Нулевое начало термодинамики
Первое начало термодинамики
Второе начало термодинамики
Третье начало термодинамики
Разделы термодинамики
Начала термодинамики
Уравнение состояния
Термодинамические величины
Термодинамические потенциалы
Термодинамические циклы
Фазовые переходы
править
См. также «Физический портал»

Первое начало термодинамики — один из трёх основных законов термодинамики, представляет собой закон сохранения энергии для термодинамических систем.

Первое начало термодинамики было сформулировано в середине XIX века в результате работ немецкого учёного Ю. Р. Майера, английского физика Дж. П. Джоуля и немецкого физика Г. Гельмгольца [1]. Согласно первому началу термодинамики, термодинамическая система может совершать работу только за счёт своей внутренней энергии или каких-либо внешних источников энергии. Первое начало термодинамики часто формулируют как невозможность существования вечного двигателя первого рода, который совершал бы работу, не черпая энергию из какого-либо источника.

Формулировка

Существует несколько эквивалентных формулировок первого начала термодинамики

В любой изолированной системе запас энергии остаётся постоянным.[2] Это — формулировка Дж. П. Джоуля (1842 г.).

Количество теплоты, полученное системой, идёт на изменение её внутренней энергии и совершение работы против внешних сил

Изменение внутренней энергии системы при переходе её из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе, то есть, оно зависит только от начального и конечного состояния системы и не зависит от способа, которым осуществляется этот переход. Это определение особенно важно для химической термодинамики[2] (ввиду сложности рассматриваемых процессов). Иными словами, внутренняя энергия является функцией состояния. В циклическом процессе внутренняя энергия не изменяется.

$\oint dU = 0$

Изменение полной энергии системы в квазистатическом процессе равно количеству теплоты , сообщённому системе, в сумме с изменением энергии, связанной с количеством вещества при химическом потенциале $\mu$ , и работы [3], совершённой над системой внешними силами и полями, за вычетом работы , 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 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 и являются полными дифференциалами, а $\delta A$ и $\delta Q$ — нет.

Частные случаи

Рассмотрим несколько частных случаев:

Если $\delta Q > 0$ , то это означает, что тепло к системе подводится.
Если $\delta Q < 0$ , аналогично — тепло отводится.
Если $\delta Q = 0$ , то система не обменивается теплом с окружающей средой и называется адиабатически изолированной.

Обобщая: в конечном процессе $1 \to 2$ элементарные количества теплоты могут быть любого знака. Общее количество теплоты, которое мы назвали просто — 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 убывает. Поскольку запас внутренней энергии ограничен, то процесс, в котором система бесконечно долгое время выполняет работу без подвода энергии извне, невозможен, что запрещает существование вечных двигателей первого рода.

Первое начало термодинамики:

при изобарном процессе

$\Q = \Delta U + A = \Delta U + p\Delta V$

при изохорном процессе ()

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

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

$\Q = A = {m\over M} R T \ln{V_2\over V_1}$

Здесь $\ m$ — масса газа, $\ M$ — молярная масса газа, $\ C_V$ — молярная теплоёмкость при постоянном объёме, $\ p, V, T$ — давление, объём и температура газа соответственно, причём последнее равенство верно только для идеального газа.

См. также

Примечания

↑ Льоцци М. История физики. — М.: Мир, 1970. С. 231—235.
↑ 1 2 Стромберг А. Г., Семченко Д. П. Физическая химия: Учеб. для хим.-тех. спец. вузов/Под ред. А. Г. Стромберга. — 2-е изд., перераб. и доп. Москва: Высшая школа, 1988г.— 496 с.— с.62
↑ В соответствии с рекомендациями ИЮПАК работу в химической термодинамике следует обозначать как W — см. англ. E.R. Cohen, T. Cvitas, J.G. Frey, B. Holmström, K. Kuchitsu, R. Marquardt, I. Mills, F. Pavese, M. Quack, J. Stohner, H.L. Strauss, M. Takami, and A.J. Thor, "Quantities, Units and Symbols in Physical Chemistry", IUPAC Green Book, 3rd Edition, 2nd Printing, IUPAC & RSC Publishing, Cambridge (2008) — p. 56.

Ссылки

Первый закон термодинамики в теории относительности