Первый закон термодинамики. Применение первого закона термодинамики к различным процессам

Первый закон термодинамики - это закон сохранения энергии, распространенный на тепловые явления. Он устанавливает причины, от которых зависит изменение внутренней энергии макроскопического тела. Если в замкнутой системе действует сила трения, то механическая энергия системы будет уменьшаться. Так, например, уменьшается механическая энергия автомобиля, движущегося по горизонтальной дороге с выключенным двигателем, о чем свидетельствует уменьшение его скорости. При этом наблюдается нагревание трущихся поверхностей, то есть увеличение внутренней энергии. В этом примере механическая энергия системы не сохраняется, часть ее превращается во внутреннюю энергию. На основании подобных наблюдений и обобщения опытных фактов был сформулирован закон сохранения энергии. Энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает: количество энергии неизменно, она только переходит из одной формы в другую. Закон сохранения энергии является фундаментальным законом природы. Он выполняется всегда и везде, применительно к любым явлениям природы, неизвестно ни одного случая, когда бы этот великий закон не соблюдался.Первый закон термодинамики формулируется именно для таких общих случаев. Изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил над системой и переданного ей количества теплоты. При изотермическом процессе температура газа не изменяется, значит, не меняется внутренняя энергия идеального газа. Согласно первому закону термодинамики, все переданное газу количество теплоты идет на совершение работы газа против внешних сил. Если газ получает тепло, то он совершает положительную работу и при этом расширяется. Если, наоборот, газ отдает тепло окружающим телам, то он совершает отрицательную работу и при этом сжимается, а работа внешних сил над газом положительна. При изобарном процессе согласно первому закону термодинамики, передаваемое газу количество теплоты идет на изменение его внутренней энергии и на совершение им работы при постоянном давлении. Количество теплоты, переданное системе, равно сумме изменения внутренней энергии и произведению давления газа на изменение объема. Рассмотрим теперь процесс, протекающий в теплоизолированной системе, которая не получает и не отдает тепла окружающим телам. Такой процесс называют адиабатным. При адиабатном процессе по первому закону термодинамики изменение внутренней энергии происходит только за счет совершения работы. Если внешние тела совершают над газом положительную работу, например, при сжатии газа его внутренняя энергия увеличивается, соответственно температура газа повышается. И наоборот, если сам газ совершает положительную работу над внешними телами, то его внутренняя энергия уменьшается и газ охлаждается. Если распространить наши рассуждения на систему, имеющую произвольное число тел, мы получим, что в изолированной системе суммарная внутренняя энергия не меняется. А, значит, и сумма количеств теплоты, полученных и отданных телами изолированной системы, равна нулю. Мы получили уравнение теплового баланса. Внутренняя энергия идеального газа не изменяется только при изотермическом процессе. При изохорном она изменяется за счет теплообмена, а при изобарном процессе внутренняя энергия газа изменяется как за счет теплопередачи, так и за счет совершения работы. В теплоизолированной системе происходит адиабатный процесс. Изменение энергии системы в этом процессе равно работе внешних сил.