Первое начало термодинамики

Существуют две формы передачи энергии от одних тел к другим – работа и теплота. Энергия механического движения может превращаться в энергию теплового движения и наоборот. При этих превращениях соблюдается закон сохранения и превращения энергии.

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[37], английского физика Дж. П. Джоуля и немецкого физика Г. Гельмгольца[38].

Нулевое начало термодинамики

Нулевое начало термодинамики названо так потому, что оно было сформулировано уже после того, как первое и второе начало вошли в число устоявшихся научных понятий. Оно утверждает, что изолированная термодинамическая система с течением времени самопроизвольно переходит в состояние термодинамического равновесия и остаётся в нём сколь угодно долго, если внешние условия сохраняются неизменными. Оно также называется общим началом. Термодинамическое равновесие предполагает наличие в системе механического, теплового и химического равновесия, а также равновесия фаз. Классическая термодинамика постулирует лишь существование состояния термодинамического равновесия, но ничего не говорит о времени его достижения.

Первый закон термодинамики

Теплота, сообщаемая системе, расходуется на увеличение её внутренней энергии и на совершение работы ею против внешних сил (рис. 121).

Рис. 121. Обмен энергией между термодинамической системой и окружающими телами в результате теплообмена и совершаемой работы.

Первый закон термодинамики для элементарного процесса:

,

или для конечного процесса: .

Рис. 122. Предлагаемые «изобретателями» в истории техники «вечные двигатели».

Если система периодически возвращается в первоначальное состояние, то . Тогда согласно первому закону термодинамики: , т.е. вечный двигатель первого рода[39] невозможен (рис. 122).

Энтальпия системы

Работа изменения объёма газа в изобарном процессе :

. (1)

С учётом формулы (1) первый закон термодинамики примет вид:

. (2)

Введём новую величину, называемую энтальпией:

(3)

Энтальпия является функцией состояния, т.к. величины сами являются функциями состояния.

С учётом формулы (3) при первый закон термодинамики примет вид:

.

Энтальпия – функция состояния, приращение которой в изобарном процессе даёт тепло, полученное системой.