ФИТР БНТУ – Портал Студентов

ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ

Термодинамика — теория тепловых яв­лений, в которой не учиты­вается атомно-молекулярное стро­ение тел. Изолирован­ная термодинамическая система – совокупность физических тел, изолированных от взаимодействия с другими телами. Термодинамический процесс – любое изменение, происхо­дящее в термодинамической си­стеме.

Тело как система из состав­ляющих его частиц обладает внутренней энергией — суммой потенциальной энергии взаимодействия частиц тела, и кинетической энергии их беспорядочного теп­лового движения. Кинетическая энергия бес­порядочного движения частиц пропорциональна температуре Т, потенциальная энергия взаимо­действия зависит от расстояний между частицами, т. е. от объема V тела.

Закон сохранения и превращения энергии: при любых процессах в изолирован­ной термодинамической системе внутренняя энергия остается не­изменной: U = const    или   

Внутренняя энергия идеаль­ного газа. Если потенциальная энергия взаимо­действия молекул равна 0 (что есть в идеальном газе), внутренняя энергия идеального газа равна сумме кинетических энергий хаотического теплового движения всех его молекул:

Внутренняя энергия и. г. прямо пропорциональ­на его абсолютной температуре. Если , то внут­ренняя энергия и.г. не изменяется. Используя предыдущее уравнение и уравнение состоя­ния и. г. , можно получить еще одно выражение для вы­числения внутренней энергии идеального одноатомного газа:

. Т.е. внутренняя энергия и. г. прямо пропорциональна произведению давления р на объем V, занимае­мый газом.

Способы изменения внут­ренней энергии — теплопере­дача и совершение механиче­ской работы. Внутренняя энер­гия тела может изменяться толь­ко в результате его взаимо­действия с другими телами. При механическом взаимодействии тел мерой энергии, переданной от одного тела к другому, является работа А. При осуществлении теплопе­редачи от одного тела к другому мерой переданной энергии яв­ляется количество теплоты Q. Совершение механической ра­боты называется макроскопиче­ским способом передачи энергии, а теплопередача — микроскопи­ческим.

Первый закон термодинами­ки. Рассмотрим три тела — 1,2 и 3. Пусть между телом 1 и телом 2 осуществляется тепло­передача, а между телом 1 и телом 3 – механи­ческое взаимодействие.

При теплопередаче количества теп­лоты Q внутренняя энергия те­ла 2 изменится на , a внутренняя энергия тела 3 в ре­зультате совершения работы из­менится на . В резуль­тате теплопередачи и механического взаимодействия внутрен­няя энергия каждого из трех тел изменится, но в изолированной термодинамической си­стеме (на рис.) по закону сохранения и превращения энергии внутрен­няя энергия U остается неиз­менной. Следовательно, сумма изменений внутренней энергии тел 1, 2,  3 равна нулю:

.

Отсюда      или   

Так как тело 1 является неизолированной термодинами­ческой системой. В неизолирован­ной термодинамической системе изменение внутренней энергии равно сумме количества теплоты Q, переданного систе­ме, и работы А внешних сил:

U=Q+A          –     первый закон термодинамики

Вместо работы А, совершаемой внешними силами над термодинамической системой удобнее рассматривать работу А’, совершаемую термо­динамической системой над внеш­ними телами. Так как эти работы равны по модулю, но противоположны по знаку: , то первый закон термодинамики имеет второе выражение

.

В неизолированной термоди­намической системе изменение внутренней энергии равно разности между полученным ко­личеством теплоты Q и работой А’, совершаемой системой.

Основное общее свойство всех машин – их способность совершать работу. Многие пытались построить «вечный двигатель», способный совершать полезную работу без потребления энергии извне и без изменений внутри машины. Но это невозможно, т.к. любая машина может совер­шать работу над внешними те­лами только за счет получения извне количества теплоты Q или уменьшения своей внутрен­ней энергии .