Конкурсы/Энциклопедия юных 2022/Естественно-технические конкурсные статьи/Первое начало термодинамики

Первое начало термодинамики, или первый закон термодинамики, — один из двух основных законов термодинамики, устанавливающий количественные соотношения, которые имеют место при превращении одного вида энергии в другие.

Формулировки

В соответствии с первым началом термодинамики количество теплоты, сообщаемое закрытой системе (то есть системе, которая не обменивается веществом с окружающей средой), затрачивается на приращение её внутренней энергии и совершение системой работы над внешними силами:

$Q=U_{2}-U_{1}+A=\Delta U+A,$

где

• $Q$ — количество теплоты, подведённой к системе,
• $U_{1}$ и $U_{2}$ — внутренняя энергия системы до и после подведения к ней тепла,
• $\Delta U$ — приращение внутренней энергии системы,
• $A$ — работа, совершённая системой над внешними силами,

или в дифференциальной форме:

$\delta Q=dU+\delta A.$

Часто вместо работы системы над внешними силами $A$ рассматривают работу внешних сил над системой $A'$. С учётом того, что $A'=-A$, первое начало термодинамики можно сформулировать следующим образом: изменение внутренней энергии системы при переходе её из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества тепла, переданного системе, и не зависит от способа, которым осуществлялся этот переход:

$\Delta U=A'+Q.$

В силу того, что под первым началом термодинамики, как правило, подразумевают одно из следствий закона сохранения энергии, иногда оно также формулируется следующим образом: невозможен вечный двигатель (перпетуум мобиле) первого рода, то есть такой двигатель, который совершал бы работу в большем количестве, чем получаемая им извне энергия. Если к системе поступает количество теплоты, меньшее, чем совершаемая её работа ($Q<A$), то избыточная работа может быть совершена только за счёт убыли внутренней энергии; после того, как запас внутренней энергии системы будет исчерпан, двигатель перестанет работать.

Первое начало термодинамики в изопроцессах

Изопроцессы являются частными случаями термодинамических процессов, во время которых количество вещества и один из параметров состояния (давление, объём, температура или энтропия) остаются неизменными. Для каждого из изопроцессов первое начало термодинамики можно записать в следующих видах:

• адиабатный процесс — энтропия системы постоянна ($S=\mathrm {const}$), тепло к системе не подводится ($Q=0$):

$0=\Delta U+A,$

или

$\Delta U=-A;$

• изотермический процесс — температура системы постоянна ($T=\mathrm {const}$), величина внутренней энергии также постоянна ($\Delta U=U_{2}-U_{1}=0$):

$Q=A;$

• изохорный процесс — объём системы постоянен ($V=\mathrm {const}$), работа над внешними силами не совершается ($A=0$):

$Q=\Delta U;$

• изобарный процесс — давление системы постоянно ($p=\mathrm {const}$):

$Q=\Delta U+A=Q=\Delta U+p\cdot \Delta V,$

где $\Delta V$ — изменение объёма системы.

См. также

• Второе начало термодинамики

Литература

• Савельев И. В. Курс общей физики. В 5 тт. — СПб.: Издательство «Лань», 2021. — Т. 3. Молекулярная физика и термодинамика: Учебное пособие. 5-е изд., испр. — С. 103—104. — 224 с. — (Учебники для вузов. Специальная литература). — ISBN 978-5-8114-1209-9
• Мякишев Г. Я. Физика. Молекулярная физика. Термодинамика. 10 кл. Профильный уровень: учеб. для общеобразовательных учреждений / Г. Я. Мякишев, А. З. Синяков. — 12-е изд., стереотип.. — М.: Дрофа, 2010. — С. 155—157. — 349 с. — ISBN 978-5-358-08873-3
• Энциклопедия для детей / Глав. ред. М. Д. Аксёнова. — М.: Аванта+, 2000. — Т. 14. Техника. — С. 252. — 688 с. — ISBN 5-84830011-9