Перший закон термодинаміки
Енергія замкнутої системи взаємодіють між собою тіл, що залежить від їх швидкостей, положення, температури, форми, хімічного складу і т. п., залишається незмінною.
Молекулярна фізика пояснює властивості тіла, розглядаючи рух молекул або атомів, з яких воно складається, і взаємодія між ними. Однак у багатьох випадках характеристики руху і взаємодії між частинками тіла залишаються невідомими, і тоді для опису властивостей тіла використовують його макроскопічні параметри, наприклад, тиск, внутрішню енергію, температуру і обсяг. Розділ фізики, що вивчає теплові процеси без використання характеристик руху і взаємодії молекул атомів, називають термодинамікою. Закон збереження і перетворення енергії в замкнутих системах стосовно тепловим явищам називають першим законом термодинаміки. Цей закон вперше був сформульований німецькими вченими Г. Гельмгольцем і Р. Майєром, а також англійським вченим Д. Джоулем.
На рис. 30а показана схема експериментальної установки, яку використовував Джоуль для демонстрації цього закону термодинаміки. Вона складалася з теплоізольованого посудини з водою, в якому знаходилися лопатки для її перемішування, що приводяться в рух падаючим вантажем. Обертання лопаток призводило до нагрівання води. Іншими словами, обертові лопатки здійснювали роботу над водою, і її внутрішня енергія росла. Таким чином, вся потенційна енергія вантажу переходила у внутрішню енергію води, налитої в посудину. У цих дослідах вперше була показана еквівалентність кількості теплоти і енергії. До цього, кількість теплоти вимірювали термометром, приймаючи, наприклад, за одиницю одну калорію – кількість теплоти, необхідне для нагрівання 1 грама води на 1 оС. Джоуль показав, що 1 калорія дорівнює 4,2 Дж.
Внутрішня енергія якого тіла може змінюватися або шляхом теплообміну з іншими тілами, або в результаті здійснення роботи над цим тілом. Однак згідно з першим законом термодинаміки зміна внутрішньої тіла, DU, при переході з одного стану в інший має дорівнювати сумі кількості теплоти, Q, що перейшло до тіла, і роботи, А, скоєної над тілом зовнішніми силами. Тому перший закон термодинаміки стосовно даному тілу може бути записаний у такій формі:
DU = Q + A. (30.1)
У багатьох випадках при переході з одного стану в інший саме тіло здійснює роботу А1. Так як А1 = – А, то для цих випадків рівняння (30.1) зручно переписати у вигляді:
Q = DU + A1. (30.2)
Таким чином, кількість теплоти, яке перейшло до тіла, витрачається на зміну його внутрішньої енергії і роботу, яку воно здійснює.
Перший закон термодинаміки унеможливлює створення вічного двигуна – механізму, здатного здійснювати роботу без будь-яких витрат зовнішньої енергії і змін внутрішньої енергії механізму. Відповідно до рівняння (30.2), якщо механізм являє собою замкнуту систему (Q = 0), то максимальна робота, яку він може скоїти, дорівнює його внутрішньої енергії. Тому вічні двигуни неможливі.
Запишемо перший закон термодинаміки для ідеального газу, що розширюється під поршнем в ізотермічному процесі. Як було показано в §28, внутрішня енергія ідеального газу залежить тільки від температури, а значить, при ізотермічному процесі його внутрішня енергія не змінюється. Підставляючи DU = 0 в (30.2), одержуємо, що A1 = Q. Таким чином, робота, вчинена розширюється газом при ізотермічному процесі, дорівнює кількості теплоти, яке газ отримав ззовні.
Робота, що здійснюється газом при розширенні, залежить від його тиску, p, і обсягу, V, таким чином. Нехай газ в циліндрі розширився, піднявши трохи поршень на Dh (рис. 30б). Якщо площа поршня дорівнює S, то сила, F, діюча знизу на поршень з боку газу, дорівнює pS, і тому робота A1, чинена газом при русі поршня, становить:
A1 = F. Dh = pS. Dh = p. DV, (30.3)
Де DV – зміна обсягу газу, що стався при підйомі поршня на Dh. Якщо побудувати графік залежності тиску p, газу від його об’єму V, між його станами 1 і 2 (рис. 30в), то згідно (30.3) робота, що здійснюються газом, при його розширенні на DV, буде дорівнює заштрихованої площі під кривою графіка. Тоді очевидно, що робота газу між станами 1 і 2 дорівнює площі під всієї кривої на графіку рис. 30в.
Питання для повторення:
– Що вивчає термодинаміка? – Сформулюйте перший закон термодинаміки для тіла, яке або над яким здійснюють роботу. – Чому вічний двигун неможливий?
(1 votes, average: 5.00 out of 5)