Первый закон термодинамики

Как мы знаем, существует лишь два способа изменения внутренней энергии тела: теплопередача и совершение работы. Опыт показывает, что эти способы независимы — в том смысле, что их результаты складываются. Если телу в процессе теплообмена передано количество теплоты Q, и если в то же время над телом совершена работа A’, то изменение внутренней энергии тела будет равно:

Δ�=�+�′ΔU=Q+A′

Нас больше всего интересует случай, когда тело является газом. Тогда A’ = −A (где A, как всегда, есть работа самого газа). Формула принимает вид:Δ�ΔU = Q − A, или

�=Δ�+�Q=ΔU+A

Соотношение 2 называется первым законом термодинамики. Смысл его прост:

Количество теплоты, переданное газу, идёт на изменение внутренней энергии газа и на совершение газом работы.

Напомним, что величина Q может быть и отрицательной: в таком случае тепло отводится от газа. Но первый закон термодинамики остаётся справедливым в любом случае. Он является одним из фундаментальных физических законов и находит подтверждение в многочисленных явлениях и экспериментах.

Применение первого закона термодинамики к изопроцессам

Напомним, что в изопроцессе остаётся неизменным значение некоторой величины, характеризующей состояние газа — температуры, объёма или давления. Для каждого вида изопроцессов запись первого закона термодинамики упрощается.

1. Изотермический процесс, T = const.

   • Внутренняя энергия идеального газа зависит только от его температуры. Если температура газа не меняется, то не меняется и внутренняя энергия: ∆U = 0. Всё подведённое к газу тепло идёт на совершение газом работы. Тогда формула 2 даёт:

     �=�Q=A

2. Изохорный процесс, V = const.

   • Если объём газа остаётся постоянным, то поршень не перемещается, и потому работа газа равна нулю: A = 0. Всё тепло, переданное газу, идёт на изменение его внутренней энергии. Тогда первый закон термодинамики даёт:

     �=Δ�Q=ΔU

3. Изобарный процесс, p = const.

   • Подведённое к газу тепло идёт как на изменение внутренней энергии, так и на совершение работы (для которой справедлива формула 1). Имеем:

     �=Δ�+�Δ�Q=ΔU+pΔV