Первое начало термодинамики – это начало всего сущего

Предметом изучения термодинамики является энергия во всех ее проявлениях и, самое главное, переходы энергии из одного вида в другой. Так сложилось, что сам термин возник на заре научных исследований в области энергии, а на тот момент перечень различных видов энергии был еще небольшой – механическая и тепловая. Поэтому, название «термодинамика» наиболее точно отражало сущность предмета – движение (передача) и преобразование тепла в механическую работу и наоборот. Постепенно появились понятия, характеризующие тепловые процессы: теплота плавления, теплоемкость и, наконец-то, единица измерения количества тепла – калория(1772 г., М.Вильке). Пройдет немало времени и будет сформулировано первое начало термодинамики, но каждый шаг был результатом кропотливого труда многих исследователей.

Для изучения законов термодинамики приняты некоторые условности, позволяющие выделить исследуемый предмет и конкретизировать его свойства, подлежащие изучению. Исследуемые объекты представляются замкнутыми системами из огромного числа частиц. Если в системе можно определить границы некоторого объема, то ее называют телом. Вот так и появился главный участник термодинамического действа: система частиц, заключенная в неком объеме – идеальный газ. В процессе энергетических преобразований термодинамическая система изменяет свое состояние, и эти изменения описываются набором понятий – параметров процесса. Если в качестве параметров взять температуру T, объем V и давление P, то их достаточно для описания любого термодинамического процесса. Все системы рассматриваются только для равновесных состояний. Установление равновесия, например, теплового, - это процесс теплопередачи – что-то остывает, а что-то нагревается. При этом количества «отдал – получил», как утверждает первое начало термодинамики, будут одинаковые. И вот здесь кроется главная задача, которую веками решают ученые: поиск участников энергетического обмена и определение их роли в процессе.

Основу теоретического аппарата термодинамики составляют 3 закона. При этом считается, что тело может поглощать энергию, увеличивая свою внутреннюю, (например, при подогреве) и/или за счет своей внутренней энергии совершать работу по преодолению внешних сил (например, выталкивая поршень). Исходя из этого, первое начало термодинамики трактуется следующим образом: изменение внутренней энергии тела U есть сумма поглощенной им энергии Q и энергии внешних сил A. Математически это выражается через бесконечно малые изменения следующим образом:

dU = dQ +dA (1)

Фактически это закон сохранения энергии, можно сказать, закон бытия.

Особенности термодинамических процессов обычно рассматривают на модели, где рабочим телом берут идеальный газ, который можно нагревать и/или совершать над ним механическую работу внешними силами (сжатие – расширение) при помощи поршня, а один из параметров - давление P, объем V или температура T - равен константе. Применение первого начала термодинамики к изопроцессам позволяет определить источники-приемники энергии для конкретных условий.

Изохорный процесс означает, что V=const. Следствием того, что механическая работа отсутствует, т.к. объем не изменяется, за счет нагрева измененяется только внутренняя энергия, и тогда: dA=pdV=0, а значит dU = dQ и определить ее можно из соотношения:

dQ=(m/M) *CV * dT (2)

Таким образом, изохорный процесс обусловлен приростом температуры.

Изобарный процесс предполагает p=const, а это условие выполняется, если рабочее тело при нагреве выполняет механическую работу, например, перемещение поршня. Если поочередно применить выражения для энергии нагрева и уравнение Менделеева-Клайперона, то можно легко получить выражение для вычисления механической работы газа:

A = (m/M) * R * (T2 – T1) (3)

R – газовая постоянная, и означает работу по увеличению объема газа в количестве один моль, если температура изменится на один градус Кельвина. Вывод: при изобарном процессе газ пополнится энергией нагрева (2) и расходует часть возросшей внутренней энергии на расширение (3).

Процесс, в котором T=const, в термодинамике называется изотермическим. Его суть в том, что полученная за счет нагрева внутренняя энергия полностью расходуется на работу по преодолениию внешних сил. Первое начало термодинамики для изопроцессов говорит о том, что для сохранения неизменной температуры тела его внутренняя энергия восполняет затраты на выполнение механической работы и зависит от изменения давления. Рассчитать эти энергетические затраты можно из выражения:

Q = A = (m/M)* R*T* (ln(p1/p2)).