3.9. Перший закон термодинаміки

Обмін енергією між термодинамічною системою і навколишніми тілами в результаті теплообміну і яку здійснюють роботи

Якщо система обмінюється теплом з оточуючими тілами і робить роботу (позитивну або негативну), то змінюється стан системи, т. Е. Змінюються її макроскопічні параметри (температура, тиск, об'єм). Так як внутрішня енергія U однозначно визначається макроскопічними параметрами, котрі характеризують стан системи, то це означає, що процеси теплообміну і здійснення роботи супроводжуються зміною Δ U внутрішньої енергії системи.

Зміна Δ U внутрішньої енергії неізольованою термодинамічної системи дорівнює різниці між кількістю теплоти Q, переданої системі, і роботою A, досконалою системою над зовнішніми тілами.

Співвідношення, що виражає перший закон термодинаміки, часто записують в іншій формі:

Кількість теплоти, отримане системою, йде на зміну її внутрішньої енергії і здійснення роботи над зовнішніми тілами.

Перший закон термодинаміки є узагальненням дослідних фактів. Згідно з цим законом, енергія не може бути створена або знищена; вона передається від однієї системи до іншої і перетворюється з однієї форми в іншу. Важливим наслідком першого закону термодинаміки є твердження про неможливість створення машини, здатної здійснювати корисну роботу без споживання енергії ззовні і без будь-яких змін всередині самої машини. Така гіпотетична машина отримала назву вічного двигуна (perpetuum mobile) першого роду. Численні спроби створити таку машину незмінно закінчувалися провалом. Будь-яка машина може здійснювати позитивну роботу A над зовнішніми тілами тільки за рахунок одержання деякої кількості теплоти Q від навколишніх тіл або зменшення Δ U своєї внутрішньої енергії.

Застосуємо перший закон термодинаміки до ізопроцессам в газах.

1. У Ізохоричний процесі (V = const) газ роботи не робить, A = 0. Отже,
   

   Тут U (T1) і U (T2) - внутрішні енергії газу в початковому і кінцевому станах. Внутрішня енергія ідеального газу залежить тільки від температури (закон Джоуля). При Ізохоричний нагріванні тепло поглинається газом (Q> 0), і його внутрішня енергія збільшується. При охолодженні тепло віддається зовнішнім тілам (Q <0).

2. У изобарном процесі (p = const) робота, що здійснюються газом, виражається співвідношенням
   

   Перший закон термодинаміки для ізобарного процесу дає:
   

   При изобарном розширенні Q> 0 - тепло поглинається газом, і газ здійснює позитивну роботу. При изобарном стисненні Q <0 - тепло віддається зовнішнім тілам. В цьому випадку A <0. Температура газу при изобарном стисненні зменшується, T2 <T1; внутрішня енергія убуває, Δ U <0.

3. В ізотермічному процесі температура газу не змінюється, отже, не змінюється і внутрішня енергія газу, Δ U = 0.

   Перший закон термодинаміки для ізотермічного процесу виражається співвідношенням
   

Кількість теплоти Q, отриманої газом в процесі ізотермічного розширення, перетворюється в роботу над зовнішніми тілами. При ізотермічному стисканні робота зовнішніх сил, вироблена над газом, перетворюється в тепло, яке передається оточуючим тілам.

Поряд з ізохорним, Ізобаричний і ізотермічним процесами в термодинаміки часто розглядаються процеси, що протікають під час відсутності теплообміну з оточуючими тілами. Судини з теплонепроніцаемимі стінками називаються адіабатичними оболонками, а процеси розширення або стиснення газу в таких судинах називаються адіабатичними.

Модель. адіабатичний процес

В адіабатичному процесі Q = 0; тому перший закон термодинаміки приймає вид

На площині (p, V) процес адіабатичного розширення (або стиснення) газу зображується кривої, яка називається адіабати. При адіабатичному розширенні газ здійснює позитивну роботу (A> 0); тому його внутрішня енергія зменшується (Δ U <0). Це призводить до зниження температури газу. Внаслідок цього тиск газу при адіабатичному розширенні зменшується швидше, ніж при ізотермічному (рис. 3.9.2).

Сімейства ізотерм (червоні криві) і адіабат ​​(сині криві) ідеального газу

У термодинаміки виводиться рівняння адіабатичного процесу для ідеального газу. У координатах (p, V) це рівняння має вигляд

Це співвідношення називають рівнянням Пуассона. Тут γ = C p / CV - показник адіабати, C p і CV - теплоємності газу в процесах з постійним тиском і з постійним об'ємом ( см. §3.10 ). Для одноатомного газу для двухатомного для багатоатомного

Робота газу в адіабатичному процесі просто виражається через температури T1 і T2 початкового і кінцевого станів:

Адіабатичний процес також можна віднести до ізопроцессам. У термодинаміки важливу роль відіграє фізична величина, яка називається ентропією ( см. §3.12 ). Зміна ентропії в будь-якому квазістатичному процесі дорівнює наведеному тепла Δ Q / T, отриманого системою. Оскільки на будь-якій ділянці адіабатичного процесу Δ Q = 0, ентропія в цьому процесі залишається незмінною.

Адіабатичний процес (так само, як і інші ізопроцесси) є процесом квазистатическим. Всі проміжні стану газу в цьому процесі близькі до станів термодинамічної рівноваги ( см. §3.3 ). Будь-яка точка на адіабаті описує рівноважний стан.

Не всякий процес, проведений в адіабатичній оболонці, т. Е. Без теплообміну з оточуючими тілами, задовольняє цій умові. Прикладом неквазістатіческого процесу, в якому проміжні стану нерівноважні, може служити розширення газу в порожнечу. На рис. 3.9.3 зображена жорстка адіабатична оболонка, що складається з двох сполучених посудин, розділених вентилем K. У первісному стані газ заповнює один з судин, а в іншій посудині - вакуум. Після відкриття вентиля газ розширюється, заповнює обидва судини, і встановлюється новий рівноважний стан. У цьому процесі Q = 0, тому що немає теплообміну з оточуючими тілами, і A = 0, тому що оболонка не деформуються. З першого закону термодинаміки випливає: Δ U = 0, т. Е. Внутрішня енергія газу залишилася незмінною. Так як внутрішня енергія ідеального газу залежить тільки від температури, температура газу в початковому і кінцевому станах однакова - точки на площині (p, V), що зображують ці стани, лежать на одній изотерме. Всі проміжні стану газу нерівноважні і їх не можна зобразити на діаграмі.

Розширення газу в порожнечу - приклад незворотного процесу. Його не можна провести в протилежному напрямку.

Розширення газу в порожнечу