Перший закон термодинаміки та його застосування у фізиці

Визначення

Просте формулювання першого закону термодинаміки може звучати приблизно так: зміна внутрішньої енергії тієї чи іншої системи можливо виключно при зовнішньому впливі. Тобто іншими словами, щоб в системі відбулися якісь зміни необхідно докласти певних зусиль ззовні. У народній мудрості своєрідним вираженням першого закону термодинаміки можуть служити прислів’я – «під лежачий камінь вода не тече», «без праці не витягнеш рибку зі ставка», тощо. Тобто на прикладі прислів’я про рибку і працю, можна уявити, що рибка і є наша умовно закрита система, в ній не відбудеться ніяких змін (рибка сама себе не витягне зі ставка) без нашого зовнішнього впливу та участі (праці).

Цікавий факт: саме перший закон термодинаміки встановлює, чому зазнали невдачі всі численні спроби вчених, дослідників, винахідників винайти «вічний двигун», адже його існування є абсолютно неможливим згідно з цим самим законом, чому, дивіться абзац вище.

На початку нашої статті було максимального просте визначення першого закону термодинаміки, в дійсності в академічній науці існує цілих чотири формулювання суті даного закону:

• Енергія нізвідки не з’являється і ні куди не пропадає, вона лише переходить з одного виду в інший (закон збереження енергії).
• Кількість теплоти, отриманої системою, йде на здійснення її роботи проти зовнішніх сил і зміну внутрішньої енергії.
• Зміна внутрішньої енергії системи при переході її з одного стану в інший дорівнює сумі роботи зовнішніх сил і кількості теплоти, переданої системі, і не залежить від способу, яким здійснюється цей перехід.
• Зміна внутрішньої енергії неізольованою термодинамічною системою дорівнює різниці між кількістю теплоти, переданої системі, і роботою, досконалої системою над зовнішніми силами.

Формула

Формулу першого закону термодинаміки можна записати таким чином:

Q = ΔU + A

Кількість теплоти Q, що передається системі дорівнює сумі зміни її внутрішньої енергії ΔU і роботи A.

Процеси

Також перший закон термодинаміки має свої нюанси залежно від наявних термодинамічних процесів, які можуть бути ізохронними і ізобарними, і нижче ми детально опишемо кожний з них.

Закон для ізохорного процесу

Ізохорним процесом в термодинаміці називають процес, що відбувається при постійному об’ємі. Тобто, якщо будь-якому в газі або рідині нагріти речовину в посудині, відбудеться ізохорний процес, так як обсяг речовини залишиться незмінним. Ця умова має вплив і на перший закон термодинаміки, що проходить при ізохорному процесі.

У ізохорному процесі об’єм V є константою, отже, газ роботи не робить A = 0

З цього виходить наступна формула:

Q = ΔU = U (T2) – U (T1).

Тут U (T1) і U (T2) – внутрішні енергії газу в початковому і кінцевому станах. Внутрішня енергія ідеального газу залежить тільки від температури (закон Джоуля). При ізохорному нагріванні тепло поглинається газом (Q> 0), і його внутрішня енергія збільшується. При охолодженні тепло віддається зовнішнім тілам (Q <0).

Закон для ізобарного процесу

Аналогічно ізобарним процесом називається термодинамічний процес, що відбувається в системі при постійному тиску і масі газу. Отже, в ізобарному процесі (p = const) робота, що здійснюються газом, виражається наступним рівнянням першого закону термодинаміки:

A = p (V2 – V1) = p ΔV.

Ізобарний перший закон термодинаміки дає:

Q = U (T2) – U (T1) + p (V2 – V1) = ΔU + p ΔV.

При ізобарному розширенні Q>0 – тепло поглинається газом, і газ здійснює позитивну роботу. При ізобарному стисненні Q

Застосування

Перший закон термодинаміки має практичне застосування до різних процесів у фізиці, наприклад, дозволяє обчислити ідеальні параметри газу при різноманітних теплових і механічних процесах. Крім суто практичного застосування можна цьому закону знайти застосування і філософське адже що не кажіть, але перший закон термодинаміки є виразом одного з найбільш загальних законів природи – закону збереження енергії. Ще Еклезіаст писав, що ніщо нізвідки не з’являється і нікуди не йде, все перебуває вічно, постійно трансформуючись, в цьому і криється вся суть першого закону термодинаміки.

Автор: Павло Чайка, головний редактор журналу Пізнавайка

При написанні статті намагався зробити її максимально цікавою, корисною та якісною. Буду вдячний за будь-який зворотний зв'язок та конструктивну критику у вигляді коментарів до статті. Також Ваше побажання/питання/пропозицію можете написати на мою пошту pavelchaika1983@gmail.com або у Фейсбук.

Сторінка про автора

Ця стаття доступна англійською мовою – First Law of Thermodynamics.