9.4. Первое начало термодинамики

Первое начало термодинамики учитывает энергетический баланс системы. В этом суть первого начала термодинамики. Можно сказать, что первое начало термодинамики является законом сохранения энергии для термодинамических систем.

Для элементарного процесса первое начало термодинамики можно записать следующим образом: . Работа самого газа связана с работой внешних сил равенством. Тогда математическая запись первого начала термодинамики будет иметь вид:. Однако в тех случаях, когда происходит теплообмен и система получает (или отдаёт тепло), удобно записывать первое начало в виде:

(9-13)

Количество теплоты, полученное системой, в общем случае идёт на изменение внутренней энергии системы и на совершение системой работы.

Для конечного процесса первое начало термодинамики можно записать так:

(9-14)

Первое начало термодинамики для изобарического процесса имеет вид:

для элементарного процесса , для конечного процесса, так как в ходе данного процесса изменяется температура газа и объём, следовательно, изменяется его внутренняя энергия и совершается работа.

Учитывая, что - функция состояния и определяется формулой (9-5), а работа А₁₂ –функция процесса и определяется формулой (9-10), получим для изобарического процесса:

(9-15)

При поступлении некоторого количества теплоты в систему, её температура возрастает, , и поступившее количество теплоты положительно .

Если система отдаёт некоторое количество теплоты, её температура понижается, , и отданное количество теплоты отрицательно .

Применим первое начало термодинамики к изохорическому процессу. При изохорическом процессе объём остаётся постоянным и , следовательно, работа газа равна нулю и первое начало термодинамики имеет вид для элементарного процессаи для конечного процесса. Всё количество теплоты, переданное системе (или отданное системой), идёт на изменение внутренней энергии системы. Учитывая выражение для изменения внутренней энергии, получим для изохорического процесса:

(9-16)

Применим первое начало термодинамики к изотермическому процессу, при котором температура неизменна, а, следовательно, внутренняя энергия системы не изменяется, всё полученное системой количество теплоты идёт на совершение системой макроскопической механической работы. В этом случае первое начало термодинамики имеет вид для элементарного процесса и для конечного процесса. С точки зрения преобразования теплоты в механическую работу, это самый выгодный процесс.