дифференциальная форма первого начала термодинамики
Первый закон термодинамики.
Первое начало (первый закон) термодинамики — это закон сохранения и превращения энергии для термодинамической системы.
Согласно первому началу термодинамики, работа может совершаться только за счет теплоты или какой-либо другой формы энергии. Следовательно, работу и количество теплоты измеряют в одних единицах — джоулях (как и энергию).
Первое начало термодинамики было сформулировано немецким ученым Ю. Л. Манером в 1842 г. и подтверждено экспериментально английским ученым Дж. Джоулем в 1843 г.
Первый закон термодинамики формулируется так:
Изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе:
где ΔU — изменение внутренней энергии, A — работа внешних сил, Q — количество теплоты, переданной системе.
При любых процессах, происходящих в изолированной системе, ее внутренняя энергия остается постоянной.
Если работу совершает система, а не внешние силы, то уравнение (ΔU = A + Q) записывается в виде:
,
Количество теплоты, переданное системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы над внешними телами.
Первое начало термодинамики может быть сформулировано как невозможность существования вечного двигателя первого рода, который совершал бы работу, не черпая энергию из какого-либо источника (т. е. только за счет внутренней энергии).
Следует помнить, что как работа, так и количество теплоты, являются характеристиками процесса изменения внутренней энергии, поэтому нельзя говорить, что в системе содержится определенное количество теплоты или работы. Система в любом состоянии обладает лишь определенной внутренней энергией.
Рассмотрим применение первого закона термодинамики к различным термодинамическим процессам.
Изохорный процесс.
Зависимость р(Т) на термодинамической диаграмме изображается изохорой.
Изохорный (изохорический) процесс — термодинамический процесс, происходящий в системе при постоянном объеме.
Изохорный процесс можно осуществить в газах и жидкостях, заключенных в сосуд с постоянным объемом.
При изохорном процессе объем газа не меняется (ΔV= 0), и, согласно первому началу термодинамики ,
т. е. изменение внутренней энергии равно количеству переданного тепла, т. к. работа (А = рΔV=0) газом не совершается.
Первое начало термодинамики
Вы будете перенаправлены на Автор24
Закон сохранения энергии для количества теплоты как формы энергии может быть записан в виде:
\[\delta Q=dU+\delta A\ \left(1\right).\]
\[CdT=dU+\delta A\ \left(2\right),\]
\[\delta Q=dU+pdV\ \left(3\right).\]
Уравнения (1), (2) и (3) записаны в дифференциальной форме.
Первое начало термодинамики не может предсказать направление развития процесса. Этот закон лишь констатирует факт изменения величин в процессе и говорит о величине их изменения. Забегая вперед, скажем, что второе начало термодинамики определяет направление процесса.
Интегральная форма первого начала термодинамики
Первое начало термодинамики можно записать и в интегральной форме:
\[Q=\triangle U+A\ \left(4\right).\]
На словах уравнение (4) означает, что подводимая к системе теплота идет на изменение внутренней энергии системы и совершение этой системой работы.
Рассмотрим изохорный процесс. При постоянном объеме система работу не совершает. В таком случае:
говорят, что все подводимое к системе тепло идет на изменение (увеличение) внутренней энергии системы.
В изотермическом процессе внутренняя энергия системы неизменна, следовательно:
все подводимое системе тепло идет на совершение системой работы.
Основой для решения будет первое начало термодинамики в дифференциальном виде:
\[CdT=dU+\delta A\ \left(1.1\right).\]
\[dU=\frac<2>\nu RdT\ \to CdT=\frac<2>\nu RdT\ +pdV\left(1.2\right),\]
Подставим в (1.3) вместо T уравнение процесса, получим:
\[pV=\nu RT_0e^
То, подставив (1.5) и (1.4) в (1.2), получим выражение:
Соответственно, для молярной теплоемкости процесса получим:
Готовые работы на аналогичную тему
Задание: На рис.1 представлен процесс, состоящий из изотермы (1) и адиабаты (2). Укажите площадь, которая представляет количество теплоты, которое поглощает газ.
Запишем первое начало термодинамики в интегральном виде:
\[Q=\triangle U+A\ \left(2.1\right).\]
Вторая часть процесса представлена адиабатой. Относительно адиабатных процессов известно, что они проводятся без подвода тепла, следовательно:
а работа по расширению газа идет за счет уменьшения его внутренней энергии.
Итак, мы получили, что в указанном на рис.1 процессе тепло подводится только на участке 1, и оно равно работе, которую совершает газ в процессе своего расширения. По определению в процессе 1 работа равна:
Первое начало термодинамики
Основные понятия первого начала термодинамики
В качестве основной задачи термодинамики ставят изучение свойств тел, характеризуя их состояния при помощи макроскопических параметров, при этом за основу берут общие законы, которые называют началами термодинамики. В термодинамике не пытаются выяснить микроскопические механизмы исследуемых явлений. В основе термодинамики лежат три основных закона (три начала). Первое начала термодинамики – это применение закона сохранения энергии для процессов, рассматриваемых в термодинамике. Закон сохранения энергии для теплоты (как одной из форм энергии) (
), внутренней энергии (
) и работы (A), совершаемой термодинамической системой можно интегральном виде записать как:
Первое начало термодинамики в дифференциальном виде
Часто первое начало термодинамики используют в дифференциальном виде:
где 
– бесконечно малое количество теплоты, подводимое к системе; 
– элементарная работа системы; 
– малое изменение внутренней энергии системы. При рассмотрении в качестве термодинамической системы идеального газа, работу, выполняемую им, связывают с изменением объема (
), поэтому выражение первого начала термодинамики представляют как:
Как и в механике, закон сохранения энергии не указывает на направление процесса, происходящего в термодинамической системе. Первое начало показывает только как, изменяются параметры, если процесс в системе происходит. В механике движение описывают при помощи уравнений движения. В термодинамике направление, в котором развивается процесс, определяют при помощи второго начала.
И так, первое начало термодинамики – это выражение закона сохранения энергии для процессов, в которых участвует теплота. Работа — это передача энергии связанная с изменением макропараметров системы. Передача теплоты реализуется при помощи перехода энергии движения молекул. Изменение при этом макропараметров – это следствие изменения энергетических условий на молекулярном уровне.
Запишем первое начало термодинамики в дифференциальном виде для изопроцессов, в качестве термодинамической системы рассматривая идеальный газ. Для изобарного процесса первое начало термодинамики не изменяет своего вида (3). Для изотермического процесса первое начало примет вид:
В изотермическом процессе все тело. которое получает система идет на совершение данной системой работы.
Для изохорного процесса мы получим:
Все тепло, которое получает газ идет на изменение его внутренней энергии.
Адиабатный процесс происходит без обмена в окружающей средой теплом, следовательно:
В адиабатном процессе система совершает работу за счет уменьшения внутренней энергии.
Примеры решения задач
| Задание | Теплота подводится к одноатомному идеальному газу в изобарном процессе. Определите, какая часть количества теплоты расходуется при этом на увеличение внутренней энергии газа, а какая часть идет на совершение системой работы? |
| Решение | В соответствии и первым началом термодинамики для изобарного процесса запишем: |
где работа, которую совершает идеальный газ в изобарном процессе, равна:
А изменение внутренней энергии идеального газа в любом процессе, где изменяется температура равно:
где i – число степеней свободы молекулы газа (так как у нас газ одноатомный, то 
); 
– число молей вещества; 
— изменение температуры, которое происходит в заданном процессе. Так как мы имеем дело с идеальным газом, то его поведение можно описывать при помощи уравнения Менделеева – Клапейрона:
Так как процесс происходит изобарный, то для двух состояний этого газа в процессе имеем:
Из левой части выражения (1.6) вычтем левую часть (1.5), аналогично поступим с правыми частями, имеем:
Первое начало термодинамики можно переписать как:
| Задание | С идеальным газом проводят циклический процесс, который изображен на рис.1. Какое количество теплоты больше в данном процессе, подведенное ( ) или отведенное ( )? |
Рассмотрим рис.2 В части кругового процесса (ветвь A-B) тепло к системе подводится. Соответственно на ветви В-А тепло отводится. Запишем первое начало термодинамики:
Так как процесс циклический, то изменение внутренней энергии системы будет равно нулю. Следовательно, для сравнения подведенного и отведенного тепла надо сравнить работы, которые происходят в процессах А-В и В-А. По определению работа равна:
Q_2\]» title=»Rendered by QuickLaTeX.com»/>
Первый закон термодинамики. Как рассказать просто о сложном?
Термодинамика — раздел физики, в котором изучаются процессы изменения и превращения внутренней энергии тел, а также способы использования внутренней энергии тел в двигателях.
1. Определение первого закона термодинамики
Термодинамика — раздел физики, в котором изучаются процессы изменения и превращения внутренней энергии тел, а также способы использования внутренней энергии тел в двигателях. Собственно, именно с анализа принципов первых тепловых машин, паровых двигателей и их эффективности и зародилась термодинамика. Можно сказать, что этот раздел физики начинается с небольшой, но очень важно работы молодого французского физика Николя Сади Карно.
Самым важным законом, лежащим в основе термодинамики является первый закон или первое начало термодинамики. Чтобы понять суть этого закона, для начала, вспомним что называется внутренней энергией. ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ тела — это энергия движения и взаимодействия частиц, из которых оно состоит. Нам хорошо известно, что внутреннюю энергию тела можно изменить, изменив температуру тела. А изменять температуру тела можно двумя способами:
Нам, также известно, что работа, совершаемая газом, обозначается Аг, а количество переданной или полученной внутренней энергии при теплообмене называется количеством теплоты и обозначается Q. Внутреннюю энергию газа или любого тела принято обозначать буквой U, а её изменение, как и изменение любой физической величины, обозначается с дополнительным знаком Δ, то есть ΔU.
Сформулируем ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ для газа. Но, прежде всего, отметим, что когда газ получает некоторое количество теплоты от какого-либо тела, то его внутренняя энергия увеличивается, а когда газ совершает некоторую работу, то его внутренняя энергия уменьшается. Именно поэтому первый закон термодинамики имеет вид:
Так как работа газа и работа внешних сил над газом равны по модулю и противоположны по знаку, то первый закон термодинамики можно записать в виде:
Понять суть этого закона довольно просто, ведь изменить внутреннюю энергию газа можно двумя способами: либо заставить его совершить работу или совершить над ним работу, либо передать ему некоторое количество теплоты или отвести от него некоторое количество теплоты.
2. Первый закон термодинамики в процессах
Применительно к изопроцессам первый закон термодинамики может быть записан несколько иначе, учитывая особенности этих процессов. Рассмотрим три основных изопроцесса и покажем, как будет выглядеть формула первого закона термодинамики в каждом из них.
3. Применение
Первое начало термодинамики (первый закон) имеет огромное значение в этой науке. Вообще понятие внутренней энергии вывело теоретическую физику 19 века на принципиально новый уровень. Появились такие понятия как термодинамическая система, термодинамическое равновесие, энтропия, энтальпия. Кроме того, появилась возможность количественного определения внутренней энергии и её изменения, что в итоге привело учёных к пониманию самой природы теплоты, как формы энергии.
Ну, а если говорить о применении первого закона термодинамики в каких-либо задачах, то для этого необходимо знать два важных факта. Во-первых, внутренняя энергия идеального одноатомного газа равна: 
а во-вторых, работа газа численно равна площади фигуры под графиком данного процесса, изображённого в координатах p—V. Учитывая это, можно вычислять изменение внутренней энергии, полученное или отданное газом количество теплоты и работу, совершённую газом или над газом в любом процессе. Можно также определять коэффициент полезного действия двигателя, зная какие процессы в нём происходят.
Первый закон термодинамики
Первый закон термодинамики представляет собой некое обобщение закона сохранения и превращения энергии для термодинамической системы, и формулируется следующим образом:
Формула первого закона термодинамики, зачастую записывается в ином виде:
Количество теплоты, полученное системой, идет на изменение ее внутренней энергии и совершение работы над внешними телами.
Первый закон термодинамики представляет из себя, по сути, обобщение опытных фактов. Если руководствоваться им, то можно заявить, что энергия не возникает и не исчезает бесследно, а передается от одной системы к другой, меняя свои формы. Невозможность создания вечного двигателя (perpetuum mobile) первого рода, то есть машины, которая может совершать полезную работу, не потребляя энергию извне и не претерпевая каких-либо изменений во внутренней конструкции агрегата, являлась важным следствием первого закона термодинамики. В подтверждение этого выступает тот факт, что каждая из огромного множества попыток создания такого устройства неизменно заканчивалась неудачей. Реальная машина может совершать положительную работу A над внешними объектами, только получая некоторое количество теплоты Q от окружающих тел или уменьшая Δ U своей внутренней энергии.
Первый закон термодинамики в процессах газов
Первый закон термодинамики может применяться к изопроцессам в газах.
В этом случае справедливой будет формула внутренней энергии газа:
Первый закон термодинамики для изобарного процесса дает:
Первый закон термодинамики для изотермического процесса выражается соотношением
Вместе с изохорным, изотермическим и изобарным процессами в термодинамике нередко исследуют процессы, происходящие в условиях отсутствующего теплообмена с окружающими объектами.
Адиабатическая оболочка – это сосуд с теплонепроницаемыми стенками.
Процессы сжатия или расширения газа в подобных емкостях называют адиабатическими.
Выходит, что газ производит работу за счет падения значения его внутренней энергии.
Работа газа в адиабатическом процессе выражается через температуры начального T 1 и конечного T 2 состояний и принимает вид:
Адиабатический процесс относится к изопроцессам.
Любые изопроцессы, в том числе и адиабатические, являются квазистатическими. Промежуточные состояния газа в таких процессах близки к состояниям термодинамического равновесия. Каждая точка, принадлежащая адиабате, описывает равновесное состояние. Однако, процесс, который проводится в адиабатической оболочке, то есть при отсутствующем теплообмене с окружающими объектами, не обязательно удовлетворяет данному условию.
Расширение газа в пустоту – пример необратимого процесса. Его нельзя провести в противоположном направлении.
