2.3. Первый закон термодинамики

Первое начало термодинамики определяет энергетический баланс на контрольной поверхности различных систем. Контрольная поверхность – воображаемая оболочка, которой окружают систему, рассматривая потоки входящей и выходящей энергии через нее. Элементами баланса являются внутренняя энергия, работа и теплота. Основанием для составления баланса служит положенный в основу первого начала всеобщий закон сохранения и превращения энергии, согласно которому энергия не исчезает и не возникает, она лишь переходит из одного вида в другой в различных процессах.

Эмпирическое обоснование первого закона термодинамики дается опытами Джоуля, который показал, что всегда требуется одна и та же механическая работа, чтобы нагреть определенное количество воды на один градус. Этот результат представляет собой так называемый принцип эквивалентности, который Томсон сформулировал следующим образом: если из термических источников получается или в результате термических эффектов уничтожается одно и то же количество механической работы, то исчезает или возникает одно и то же количество теплоты.

Существует также другая формулировка принципа эквивалентности: невозможно построить машину, которая производила бы механическую работу, не затрачивая при этом эквивалентного количества теплоты (принцип невозможности вечного двигателя пер вого рода).

В термодинамических процессах изменения состояния рабочих тел последние могут получать от внешней среды или, наоборот, отдавать ей энергию в форме теплоты Q и в форме работы L, в результате чего энергия будет изменяться численно на Δ E. Тогда, следуя закону сохранения энергии, уравнение энергического баланса примет вид

Q= Δ E+L.

Записанный в таком виде общий принцип сохранения энергии в термодинамическом процессе называется математическим выражением первого закона термодинамики, которому можно дать следующую формулировку:в термодинамическом процессе подведенная к телу теплота в общем случае расходуется на изменение его энергии и совершение внешней работы. Если рабочее тело как целое не движется (его центр тяжести неподвижен), а потенциальной энергией внешнего поля сил можно пренебречь, то изменение полной энергии рабочего тела будет равно изменению его внутренней энергии. Работа в данном случае представляет собой только работу  L расширения, при этом

Q= Δ U+L.

Следует обратить внимание на то, что, хотя величины, входящие в уравнение первого закона термодинамики, – внутренняя энергия, работа и количество теплоты, – выражаются в одних и тех же единицах, физические понятия, определяющие эти величины, глубоко различны. Как уже указывалось выше, внутренняя энергия представляет собой энергию, накопленную рабочим телом (системой), запас энергии, а работа и теплота характеризуют энергию, которая сообщается рабочему телу или отнимается от него в каком-либо процессе.

Итак, первый закон термодинамики, являющийся обобщением всей совокупности человеческого опыта, отвергает возможность создания вечных двигателей и получения энергии из «ничего». История насчитывает массу проектов таких двигателей, которые должны были бы «крутиться сами по себе». Но все попытки, в том числе талантливейших конструкторов, были обречены на неудачу.