ПЕРВОЕ ПРАВИЛО ТЕРМОДИНАМИКИ. ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ К ИЗОПРОЦЕССАМ.
Первое начало термодинамики — один из трёх основных законов термодинамики, представляет собой закон сохранения энергии длятермодинамических систем.
Первое начало термодинамики было сформулировано в середине XIX века в результате работ немецкого учёного Ю. Р. Майера, английского физикаДж. П. Джоуля и немецкого физика Г. Гельмгольца[1]. Согласно первому началу термодинамики, термодинамическая система может совершатьработу только за счёт своей внутренней энергии или каких-либо внешних источников энергии. Первое начало термодинамики часто формулируют как невозможность существования вечного двигателя первого рода, который совершал бы работу, не черпая энергию из какого-либо источника.
Содержание
Существует несколько эквивалентных формулировок первого начала термодинамики
В любой изолированной системе запас энергии остаётся постоянным.[2] Это — формулировка Дж. П. Джоуля (1842 г.).
Количество теплоты, полученное системой, идёт на изменение её внутренней энергии и совершение работы против внешних сил
Изменение внутренней энергии системы при переходе её из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе, то есть, оно зависит только от начального и конечного состояния системы и не зависит от способа, которым осуществляется этот переход. Это определение особенно важно для химической термодинамики[2] (ввиду сложности рассматриваемых процессов). Иными словами, внутренняя энергия является функцией состояния. В циклическом процессе внутренняя энергия не изменяется.
Изменение полной энергии системы в квазистатическом процессе равно количеству теплоты 
, сообщённому системе, в сумме с изменением энергии, связанной с количеством вещества 
при химическом потенциале 
, и работы 
[3], совершённой над системой внешними силами и полями, за вычетом работы 
, совершённой самой системой против внешних сил
.
Для элементарного количества теплоты 
, элементарной работы 
и малого приращения 
внутренней энергии первый закон термодинамики имеет вид:
.
Разделение работы на две части, одна из которых описывает работу, совершённую над системой, а вторая — работу, совершённую самой системой, подчёркивает, что эти работы могут быть совершены силами разной природы вследствие разных источников сил.
Важно заметить, что и 
являются полными дифференциалами, а и — нет.
Применение его к изопроцессам Применение первого закона термодинамики к идеальному газу
Первый закон термодинамики позволяет вычислить изменение параметров идеального газа при тепловых и механических процессах.
Так, если в газе протекают изопроцессы, первый закон термодинамики может быть записан в частном виде.
При изотермическом процессе изменения внутренней энергии в идеальном газе не происходит и все подводимое к газу количество теплоты идет на совершение им работы.
|
При изохорном процессе объем газа остается постоянным. Соответственно, не совершается работа и внутренняя энергия газа изменяется исключительно за счет теплообмена с окружающей средой.
|
(Индекс V означает, что процесс протекает при постоянном объеме).
Если при теплообмене происходит изменение температуры газа на ΔT, то QV = cVmΔT.
cV – удельная теплоемкость газа при постоянном объеме.
Подставляя это выражение в уравнение первого закона термодинамики для изохорного процесса, имеем: ΔU = cVmΔT.
С другой стороны, для одноатомного идеального газа 
Приравняв правые части уравнений и произведя соответствующие преобразования, имеем:
При изобарном процессе изменение внутренней энергии газа происходит как за счет теплообмена, так и за счет совершения механической работы. Если к газу подводится некоторое количество теплоты, то оно частично расходуется на увеличение внутренней энергии газа, частично на совершение газом работы при его расширении.