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.
Соотношение, выражающее первый закон термодинамики, часто записывают в другой форме:
Q = ΔU + A.
Количество теплоты, полученное системой, идет на изменение ее внутренней энергии и совершение работы над внешними телами.
Первый
закон термодинамики является обобщением опытных фактов. Согласно этому
закону, энергия не может быть создана или уничтожена; она передается от
одной системы к другой и превращается из одной формы в другую. Важным
следствием первого закона термодинамики является утверждение о
невозможности создания машины, способной совершать полезную работу без
потребления энергии извне и без каких-либо изменений внутри самой
машины. Такая гипотетическая машина получила название вечного двигателя
(perpetuum mobile) первого рода. Многочисленные попытки создать такую
машину неизменно заканчивались провалом. Любая машина может совершать
положительную работу A над внешними телами только за счет получения
некоторого количества теплоты Q от окружающих тел или уменьшения ΔU
своей внутренней энергии.
Применим первый закон термодинамики к изопроцессам в газах.
В изохорном процессе (V = const) газ работы не совершает, A = 0. Следовательно,
Q = ΔU = U (T2) – U (T1).
Здесь
U (T1) и U (T2) – внутренние энергии газа в начальном и конечном
состояниях. Внутренняя энергия идеального газа зависит только от
температуры (закон Джоуля) . При изохорном нагревании тепло поглощается
газом (Q > 0), и его внутренняя энергия увеличивается. При охлаждении
тепло отдается внешним телам (Q < 0).
В изобарном процессе (p = const) работа, совершаемая газом, выражается соотношением
A = p (V2 – V1) = p ΔV.
Первый закон термодинамики для изобарного процесса дает:
Q = U (T2) – U (T1) + p (V2 – V1) = ΔU + p ΔV.
При
изобарном расширении Q > 0 – тепло поглощается газом, и газ
совершает положительную работу. При изобарном сжатии Q < 0 – тепло
отдается внешним телам. В этом случае A < 0. Температура газа при
изобарном сжатии уменьшается, T2 < T1; внутренняя энергия убывает, ΔU
< 0.
В изотермическом процессе температура газа не изменяется, следовательно, не изменяется и внутренняя энергия газа, ΔU = 0.
Первый закон термодинамики для изотермического процесса выражается соотношением
Q = A.
Количество
теплоты Q, полученной газом в процессе изотермического расширения,
превращается в работу над внешними телами. При изотермическом сжатии
работа внешних сил, произведенная над газом, превращается в тепло,
которое передается окружающим телам.
Наряду с изохорным,
изобарным и изотермическим процессами в термодинамике часто
рассматриваются процессы, протекающие в отсутствие теплообмена с
окружающими телами. Сосуды с теплонепроницаемыми стенками называются
адиабатическими оболочками, а процессы расширения или сжатия газа в
таких сосудах называются адиабатическими.