Такі фізичні процеси, як теплота і робота, можна пояснити простою передачі енергії від одного тіла до іншого. У випадку з роботою йдеться про механічної енергії, теплота ж передбачає енергію термічну. Передача енергії ведеться за законами термодинаміки. Головні положення цього розділу фізики відомі як «початку».
Перший початок термодинаміки регулює і обмежує процес передачі енергії в тій чи іншій системі.
Види енергетичних систем
У фізичному світі існує два типи енергетичних систем. Замкнута, або закрита система має постійну масу. У відкритій, або незамкненою системі маса може зменшуватися і збільшуватися залежно від процесів, що протікають в цій системі. Більшість спостережуваних систем є незамкненими.
Дослідження в таких системах утруднено безліччю випадкових факторів, що впливають на достовірність результатів. Тому фізики вивчають явища в замкнутих системах, екстраполюючи результати на відкриті, з урахуванням необхідних поправок.
Енергія ізольованої системи
Будь-яка замкнута система, в якій відсутній обмін енергією з навколишнім середовищем, є ізольованою. Рівноважний стан такої системи визначається показаннями таких величин:
- P- тиск в системі;
- V - об`єм ізольованої системи
- T- температура;
- n - число молей газу в системі;
як видно, кількість тепла і виконана робота не входять до цього переліку. Закрита ізольована система не робить теплообмін і не виробляє роботу. Її повна енергія залишається незмінною.
Зміна енергії системи
При здійсненні роботи або виникненні процесу теплообміну стан системи змінюється, і ізольованою вона вже вважатися не буде.
Формулювання першого закону термодинаміки
Внутрішня енергія замкнутої системи складається з суми енергій всіх частинок цієї системи. Змінити цю енергію можна, тільки впливаючи на систему ззовні. Внутрішня енергія такої замкнутої системи буде збільшуватися або через роботу, яка була зроблена над системою, або ж через передачу такої системи певної кількості теплоти. Зменшення повної енергії системи буде також залежати від двох чинників - або вона віддасть тепло, або зробить будь-яку роботу.
Зміна кількості повної енергії можна виразити формулою, яка буде виглядати так:
Якщо мова йде про роботу, досконалої над системою, то змінна W матиме негативну величину. Це формула і являє собою перший початок термодинаміки.
закон збереження
Цей закон по праву вважається одним з фундаментальних законів фізики. Теплота і робота є основними способами передачі енергії, і зміна внутрішньої енергії системи безпосередньо залежить від цих величин. Таким чином, перший закон термодинаміки є видозміненим законом збереження енергії.
Перш за все перший початок термодинаміки було виведено для ізольованих систем. Пізніше було доведено, що закон універсальний, і його можна застосовувати до незамкнутим системам, якщо правильно враховувати зміну внутрішньої енергії, що відбувається через коливання кількості речовини в системі. Якщо розглянута система переходить зі стану А в стан Б, то робота, здійснена системою W, і кількість теплоти Q будуть відрізнятися. Різні процеси дають неоднакові показання цих змінних навіть в разі, якщо в кінцевому підсумку система прийде в первісний стан. Але при цьому різниця W-Qбуде завжди одна і та ж. Іншими словами, якщо після будь-якого впливу система прийшла в первісний стан, то незалежно від типу процесів, приймати участь в перетворенні такої системи, дотримується правило W-Q= const.
У деяких випадках зручніше використовувати диференціальну формулу вираження першого закону. Він виглядає так:dU =dW-dQ
тут dU- нескінченно мала зміна внутрішній енергії
dW- величина, що характеризує нескінченно малу роботу системи
dQ- нескінченно малу кількість теплоти, передане даній системі.
ентальпія
Для більш широкого застосування першого закону термодинаміки вводиться поняття ентальпії.
Так називається загальна кількість повної енергії речовини і твори обсягу і тиску. Фізичне вираження ентальпії можна уявити такою формулою:
H = U + pV
Абсолютне значення ентальпії являє собою суму ентальпій всіх частин, з яких складається система.
У кількісному вираженні ця величина не може бути визначена. Фізики оперують лише різницею ентальпій кінцевого і початкового стану системи. Адже при будь-яких розрахунках зміни стану системи вибирають певний рівень, при якому потенціальна енергія дорівнює нулю. Точно також надходять і при розрахунку ентальпії. Якщо застосувати поняття ентальпії, то перший початок термодинаміки для ізопроцессов буде виглядати таким чином:dU =dW-dH
Ентальпія будь-якої системи залежить від внутрішньої будови речовин, які становлять цю систему. Ці показники, в свою чергу, залежать від будови речовини, його температури, кількості і тиску. Для складних речовин можна обчислити стандартну ентальпію утворення, яка дорівнює тій кількості теплоти, яке знадобиться для утворення благаючи речовини з простих складових. Як правило, величина стандартної ентальпії негативна, тому що при синтезі складних речовин в більшості випадків виділяється теплота.
Перший закон термодинаміки в адіабатичних процесах
Застосування першого закону термодинаміки для ізопроцессов можна розглянути графічно. Наприклад, розглянемо адіабатичний процес, в якому кількість теплоти протягом усього часу залишається незмінним, тобто Q=const. Такий ізопроцессамі протікає в теплоізольованих системах, або за такий короткий час, що система не встигає зробити теплообмін із зовнішнім середовищем. Повільне розширення газу на діаграмі "обсяг-тиск" описується такий кривий:
За графіком можна обґрунтувати застосування першого закону термодинаміки до ізопроцессам. Оскільки зміни кількості теплоти в адіабатичному процесі не відбувається, зміна внутрішньої енергії дорівнює кількості виробленої роботи. dU=- dW
Звідси випливає, що внутрішня енергія системи зменшується, і температура її падає.
Приклади адиабатических процесів
Вірно і зворотне твердження: зниження тиску при відсутності теплообміну різко підвищує температуру системи. Приблизно так розширюється газ в двигунах внутрішнього згоряння. У двигунах Дизеля горючий газ стискається в 15 разів. Короткочасне підвищення температури дозволяє горючої суміші самостійно спалахнути.
Можна розглянути ще один приклад адіабатичного процесу - вільне розширення газів. Для цього розглянемо таку установку, що складається з двох ємностей:
У першій ємності є газ, у другій він відсутній. Повертаючи кран, ми доб`ємося того, що газ заповнить весь відведений йому обсяг. При достатній ізольованості системи температура газу залишиться незмінною. Оскільки газ не виконував ніякої роботи, змінна dW=const. З`ясувалося, що за інших рівних умов температура газу при розширенні знижується. Розширення газу відбувається нерівномірно, тому на діаграмі "тиск-об`єм" цей процес представлений бути не може.
Перший закон термодинаміки є універсальним законом, що застосовується у всіх доступних для огляду процесах Всесвіту. Глибоке розуміння причин тих чи інших перетворень енергії дозволяє розуміти існуючі фізичні явища і відкривати нові закони.
