Первый закон термодинамики как закон сохранения и превращения энергии

Термодинамический метод основан на использовании всеобщего закона сохранения энергии при ее превращениях, согласно которому: энергия не исчезает и не возникает вновь, она лишь переходит из одного вида в другой в различных физических и химических процессах. Другими словами, для любой изолированной системы энергия, заключенная в этой системе, сохраняется неизменной.

Энергетическое состояние термодинамической системы и уровень ее собственной энергии определяется такой величиной как внутренняя энергия. Внутренняя энергия тела складывается из поступательного и вращательного движений молекул, составляющих тело, энергии внутримолекулярных колебаний, внутриатомной и внутриядерной энергии.

В термодинамике в основном рассматриваются термодинамические системы взаимодействующие с окружающей средой, то есть не являющиеся изолированными. В этом случае изменение внутренней энергии DU системы определяют, изучая род взаимодействия системы с окружающей средой. При этом важно, что характер изменений в термодинамической системе зависит не от свойств окружающих тел, а исключительно от способа передачи энергии, то есть от рода взаимодействия. Поэтому при составлении баланса энергии термодинамической системы алгебраически суммируются воздействия каждого рода, исходящие от всех тел окружающей среды. Если через Q_k обозначить количество воздействий k–го рода, то уравнение сохранения энергии можно представить в виде:

,

где n – число родов взаимодействий, или число термодинамических степеней свободы системы.

Представленное уравнение является формой выражения первого закона термодинамики для произвольной термодинамической системы с многими степенями свободы, который может быть сформулирован так: изменение внутренней энергии термодинамической системы равно алгебраической сумме внешних воздействий.

При рассмотрении термодеформационной термодинамической системы таких внешних воздействий всего два: теплота и работа. Причем термическое воздействие, то есть количество подводимой теплоты Q, считается положительным в том случае, если теплота подводится от окружающей среды к термодинамической системе (рис. 2.1). А работа, наоборот, будет тогда положительной, когда система совершает работу над окружающей средой.

Рис. 2.1. Внешние воздействия на термодинамическую систему

В технической термодинамике отдельно рассматривается работа объемной деформации системы и работа, не связанная с объемной деформацией. Механическая работа, совершаемая при объемной деформации, называется работой расширения и обозначается L. С учетом введенных обозначений и правила знаков уравнение первого закона термодинамики для термодеформационной системы получит вид: DU = Q – L,

а первый закон следующую формулировку: изменение внутренней энергии термодинамической системы равно разности между количеством теплоты и работы.

Переписав представленное выражение в форме:

Q = DU + L,

можно получить еще одну формулировку первого закона термодинамики: подводимая к термодинамической системе теплота затрачивается на изменение внутренней энергии системы и на совершение работы.

Оба представленных выражения, определяют изменения в термодинамической системе, происшедшие в конечном термодинамическом процессе. В случае элементарного, бесконечно малого процесса теплота, работа и, следовательно, изменение внутренней энергии системы бесконечно малы. Тогда:

dU = dQ – dL или dQ = dU + dL.

Если масса системы неизменна и сама система представляет собой однородное рабочее тело, то уравнения первого закона термодинамики могут быть записаны в удельных величинах:

du = dq – dl или dq = du + dl.

Кроме работы расширения термодинамическая система может совершать и другие виды работ. Любой вид работы, за исключением работы расширения обозначим символом L*. Тогда уравнения первого закона термодинамики для элементарного процесса запишутся в виде:

du = dq – dl – ådl* или dq = du + dl + ådl*.