2015-02-15
372
Рассмотрим тело, в целом неподвижное (например, газ в цилиндре с подвижным поршнем), чтобы можно было пренебречь энергией его механического движения. Внутреннюю энергию теплового движения этого тела обозначим через U.
Дадим возможность телу обмениваться энергией с окружающими телами. При этом внутренняя энергия тела изменится на некоторую величину Q, которая в зависимости от обстоятельств может оказаться как положительной, так и отрицательной.
В процессе взаимодействия с рассматриваемым телом изменится интенсивность теплового движения молекул окружающих тел: эти тела охладятся или нагреются и, тем самым, передадут рассматриваемому телу некоторое количество теплоты Q. Знак величины Q будет указывать направление процесса теплообмена. Если окружающие тела будут нагреваться и отнимать от рассматриваемого тела энергию, то Q < 0.
При изменении внутренней энергии изменится состояние тела, оно будет расширяться или сжиматься и приведет в механическое движение окружающие его тела. Количество переданной окружающим телам энергии механического движения мы будем характеризовать работой A, совершенной рассматриваемым телом над окружающими его телами. Работа A также является величиной алгебраической и имеет знак. Если механическая энергия окружающих тел уменьшится, то A < 0, и мы говорим, что окружающая среда совершила работу – A.
Подчеркнем принятое нами и чаще всего применяемое правило знаков. Q считается положительным, если тепло передается от окружающей среды данному телу, т. е. за счет притока тепла Q извне внутренняя энергия тела возрастает. Наоборот, A считается положительной, если тело производит механическую работу над окружающими телами, т. е. за счет произведенной механической работы убывает внутренняя энергия тела. Таким образом, Q и ΔU имеют одинаковые знаки, а A и ΔU имеют разные знаки.
Учитывая процессы теплообмена и совершения механической работы и правило знаков, можно записать закон сохранения энергии в виде
ΔU = Q – A. (76)
Изменение внутренней энергии тела ΔU равно разности сообщенного телу количества теплоты Q и произведенной телом механической работы A.
Формулу (76) можно переписать и в таком виде:
Q = ΔU + A. (77)
Это и есть обычная математическая формулировка первого начала термодинамики:
Количество теплоты, сообщенное телу (Q), идет на увеличение его внутренней энергии (ΔU) и на совершение телом работы (A).
Первое начало можно также формулировать следующим образом:
Невозможен вечный двигатель первого рода, то есть такой периодически действующий двигатель, который совершал бы работу в большем количестве, чем полученная им извне энергия.
