Перший закон термодинаміки
На зорі розвитку техніки появилися перші недосконалі машини, але вже тоді легко було передбачити їхню величезну роль в подальшому житті людства. Всі ці машини мали один загальний «НЕДОЛІК». Всі вони працювали тільки після затрати енергії. З’явилася ідея створити таку машину, яка б давала корисну роботу без витрат енергії. Один раз попрацювати, створивши таку машину, а потім відпочивати. Зараз така машина називається вічним двигуном. Величезна кількість вчених і винахідників усе своє життя намагалися створити таку машину. Були випробувані різні механізми, в яких використовувалися всілякі процеси, однак кожного разу невдало. Поступово стало очевидним, що вічний двигун неможливий, і академії наук різних країн зупинили розгляд проектів вічного двигуна. Очевидно існує фундаментальний закон природи, який не дозволяє отримувати корисну роботу без витрат енергії. Цим законом є перший закон термодинаміки.
Нема більш фундаментального закону, на підставі якого можна вивести перший закон термодинаміки. Він є наслідком узагальнення величезного емпіричного матеріалу, накопиченого людством. В обґрунтуванні першого закону брали участь М.В.Ломоносов (1750), Герман Іванович Гесс (1836), Джеймс Прескотт Джоуль (1840), Майер (1842), Герман Людвіг Фердинанд Гельмгольц (1847) та інші.
Існують декілька формулювань першого закону термодинаміки:
1. Вічний двигун першого роду неможливий. Неможливо побудувати вічний двигун 1-го роду, який здійснює роботу без витрати еквівалентної кількості іншого виду енергії.
2. У формулюванні М.В.Ломоносова це закон про збереження і перетворення енергії. Енергія не може зникати або виникати ні з чого. Вона може лише переходити з однієї форми в іншу. Це пояснює неможливість вічного двигуна – створення механічної енергії без витрати інших видів енергії.
3. Д.П.Джоуль обґрунтував закон експериментально, виходячи з дослідів з перетворення механічної енергії в теплову. В його формулюванні це закон про еквівалентність енергій. Співвідношення між виконаною над системою роботою і кількістю тепла, що при цьому виділилося (механічний еквівалент теплоти) є сталим і не залежить від умов проведення дослідів.
4. Для не колових процесів q ≠ A, адже окрім перетворення теплоти в роботу відбувається зміна самої системи. Можна показати (не будемо), що qі – Aі = const. (2.2) Отже, для не колового процесу q – A не залежить від шляху переходу, а визначається лише початковим і кінцевим станами системи. Іншими словами, величина q – A для будь-якого процесу визначається зміною деякої властивості системи. Ця властивість є внутрішня енергія системи U – це сума усіх видів енергії, притаманних даній системі – теплова енергія руху молекул, енергія атомних зв’язків, енергія руху електронів, енергія ядер тощо, а також кінетична та потенціальна енергії системи. Вона не включає кінетичну енергію руху самої системи. Якщо система повністю ізольована від навколишнього середовища (ізольована система), її внутрішня енергія залишається постійною. Якщо ж дозволити системі реагувати з навколишнім середовищем, її внутрішня енергія буде змінюватися. Отже внутрішня енергія не є особливою формою енергії, і її абсолютне значення не може бути визначене, адже перевести систему в стан з U = 0 неможливо. Можна вимірювати лише зміну внутрішньої енергії DU при переході з деякого стану 1 в інший стан 2. Для колового процесу DU = 0. Оскільки DU не залежить від шляху переходу, а залежить від початкового і кінцевого стану системи, внутрішня енергія є однозначною, кінцевою і неперервною функцією стану системи – ще одне формулювання. На відміну від внутрішньої енергії, теплота і робота не є функціями стану системи, адже вони пов’язані з переходом енергії і відносяться до процесу, а не до стану. Внутрішня енергія залежить лише від маси системи і зовнішніх умов.
Внутрішня енергія – це екстенсивна величина. Вимірюється в Дж. Якщо розглядати внутрішню енергію 1 моля речовини, вона стає інтенсивною величиною. Вимірюється в Дж/моль. Раніше застосовували кал (ккал). 1 кал = 4.184Дж. 1 кал – це енергія, необхідна для нагрівання 1 г води на 1 оС.
5. Аналітичний вираз першого закону термодинаміки. З попереднього виходить, що
DU = q – A, (2.3)
де DU = U2 – U1 – приріст внутрішньої енергії системи при переході зі стану 1 до стану 2; q –кількість тепла, поглинутого при цьому системою; A –робота, виконана системою.
Дата добавления: 2016-02-27; просмотров: 557;