Первый закон термодинамики

Определение

Первый закон термодинамики — это закон сохранения энергии, применённый к тепловым процессам, который гласит, что изменение внутренней энергии системы равно сумме количества теплоты, переданного системе, и работы, совершённой над системой.

Формула

ΔU = Q + A

• ΔU — изменение внутренней энергии системы
• Q — количество теплоты, переданное системе
• A — работа внешних сил, совершённая над системой

Единицы измерения: джоуль (Дж)

Что означает каждый член формулы

В формуле ΔU = Q + A каждый символ имеет определённый физический смысл. Изменение внутренней энергии (ΔU) — это разница между конечной и начальной внутренней энергией системы. Внутренняя энергия зависит от температуры и состояния вещества. Количество теплоты (Q) — это энергия, которая передаётся системе или отбирается от неё без совершения работы, например, при нагревании или охлаждении. Работа внешних сил (A) — это энергия, которая передаётся системе или отбирается от неё через механическое воздействие, например, при сжатии газа поршнем.

Альтернативная запись закона

Часто Первый закон термодинамики записывают в виде Q = ΔU + A′. Здесь A′ — это работа, совершённая самой системой против внешних сил. Например, газ, расширяясь, совершает работу против поршня. Знак минус между A и A′ означает, что работа внешних сил (A) и работа системы (A′) противоположны по знаку: A = -A′. Если система совершает работу, её внутренняя энергия уменьшается (если нет подвода тепла), и наоборот. Эта форма удобна для анализа тепловых машин, где нас интересует, какую полезную работу может совершить система за счёт подведённого тепла.

Принцип сохранения энергии

Суть Первого закона термодинамики заключается в универсальном принципе сохранения энергии. Он говорит, что энергия не возникает из ниоткуда и не исчезает в никуда, а лишь превращается из одной формы в другую. Например, химическая энергия топлива превращается в тепловую энергию при сгорании, а затем в механическую работу в двигателе. Закон подчеркивает, что суммарное количество энергии в изолированной системе остаётся постоянным, хотя её виды могут меняться.

Как найти и применять

1. Определите, что является системой, и что — внешней средой.
2. Выясните, передаётся ли системе теплота (Q > 0) или отбирается от неё (Q < 0).
3. Определите, совершается ли работа над системой внешними силами (A > 0) или система совершает работу против внешних сил (A < 0).
4. Используйте формулу ΔU = Q + A для расчёта изменения внутренней энергии или другого неизвестного параметра.

Разбор задач

Задача 1

Газу передали 150 Дж теплоты, и он расширился, совершив работу 50 Дж. Определите изменение внутренней энергии газа.

1. Система — газ. 2. Газу передали теплоту, значит Q = +150 Дж. 3. Газ совершил работу, значит работа внешних сил А = -50 Дж. 4. Используем формулу: ΔU = Q + A = 150 Дж + (-50 Дж) = 100 Дж.

Ответ: Внутренняя энергия газа увеличилась на 100 Дж.

Где это встречается

• Двигатели внутреннего сгорания — Химическая энергия топлива преобразуется в тепловую при сгорании, которая затем частично преобразуется в механическую работу, приводящую автомобиль в движение.
• Холодильники и кондиционеры — За счёт совершения работы внешними силами (компрессором) теплота отводится из более холодного пространства и передаётся более тёплому, что приводит к охлаждению.
• Тепловые электростанции — Тепловая энергия, выделяющаяся при сгорании топлива или ядерных реакциях, используется для нагрева воды и получения пара, который вращает турбины, вырабатывающие электричество.
• Метаболизм в живых организмах — Химическая энергия питательных веществ преобразуется в тепловую энергию для поддержания температуры тела и в механическую работу (движение мышц).

Типичные ошибки

Не путать

• Второй закон термодинамики — Первый закон говорит о сохранении энергии. Второй закон говорит о направлении самопроизвольных процессов: теплота самопроизвольно переходит от более нагретого тела к менее нагретому, и о невозможности полностью превратить теплоту в работу.
• Закон сохранения энергии — Первый закон термодинамики — это частный случай общего закона сохранения энергии, применённый к системам, где происходят тепловые процессы и обмен энергией в виде теплоты и работы. Общий закон сохранения энергии шире и включает все виды энергии.

Откуда взялось понятие

Первый закон термодинамики был сформулирован независимо несколькими учёными в середине XIX века, среди которых были Юлиус Роберт Майер, Джеймс Джоуль и Герман Гельмгольц.

Как запомнить

Куда тепло, туда и работа, если энергия не девается никуда.