Первое начало термодинамики

Первое начало термодинамики как математическое

Выражение закона сохранения энергии

Первое начало термодинамики — математическое выражение закона сохранения и превращения энергии применительно к тепловым процессам в его наиболее общей форме. Открытию закона сохранения и превращения энергии предшествовали многочисленные экспериментальные и теоретические исследования в области физики и химии, развитие принципа, исключающего построение вечного двигателя первого рода (1775 г.), открытие закона Гесса (1840 г.) и принципа эквивалентности (1842-1850 гг.) как завершающего этапа в открытии закона сохранения энергии.

Суть I начала термодинамики заключается в том, что работа может совершаться только за счет теплоты или какой-либо другой формы энергии. Внутренняя энергия системы является однозначной функцией ее состояния и изменяется только под влиянием внешних воздействий. При этом все возможные виды внешнего энергетического взаимодействия сводятся лишь к передаче теплоты и работы. Это значит, что изменение внутренней энергии тела или системы тел (DU=U₂-U₁) равно алгебраической сумме подведенных извне количеств теплоты Q*_{1, 2} и внешней работы (L*_{1, 2}), выполненной телом в процессе.

U₂-U₁=Q*_{1, 2}-AL*_{1, 2}; (3.31)

Q*_{1, 2}=U₂-U₁+AL*_{1, 2} (3.32)

или в дифференциальной форме:

dQ*=dU+A× dL*, (3.33)

где А — тепловой эквивалент работы (далее его опускаем). А=1 Дж/(Н× м) в системе СИ; в МКСС А=1/427 ккал/(кг× м).

Уравнения первого начала термодинамики в приведенной форме называются уравнениями первого начала термодинамики по внешнему балансу теплоты и работы. Действительно, приведенные уравнения отражают только взаимодействие тел с окружающей системой. Они не учитывают и не отражают те необратимые потери, которые есть в реальных условиях взаимодействия тела с окружающей средой.

Внешняя (эффективная) работа dL* определяется разностью термодинамической работы dL и необратимых потерь работы dL**:

dL*=dL-dL**. (3.34)

Потерянная в необратимых процессах работа dL** полностью превращается в теплоту внутреннего теплообмена dQ**, которая передается этому же телу или телам внешней системы

dL**=dQ**> 0. (3.35)

Следовательно, полное количество теплоты dQ, полученное телом, будет определяться как сумма теплоты dQ*, подведенной извне, и теплоты внутреннего теплообмена dQ**:

dQ=dQ*+dQ**

или dQ=dQ*+dQ**=dU+dL*+dL**;

dL*+dL**=dL;

dQ=dQ*+dQ**=dU+dL. (3.36)

Последнее уравнение называется уравнением первого начала по балансу рабочего тела. Оно может использоваться для анализа реальных процессов.