Первый закон термодинамики

Мы уже знаем, что внутреннюю энергию тел можно изменять теплообменом – передавая телу или забирая у него некоторое количество теплоты (см. § 6-в). А опыты Румфорда и Джоуля продемонстрировали нам, что внутреннюю энергию тел можно изменить и совершением работы (см. § 6-ж).

То есть существуют два способа изменения внутренней энергии: теплопередача и работа.

DU – изменение внутренней энергии тела, Дж Q – полученное им количество теплоты, Дж A – совершенная над телом работа, Дж

Эта формула гласит, что изменение внутренней энергии тела есть величина, равная сумме количества теплоты, полученной этим телом, и совершенной над ним работы.

Это утверждение называется первым законом термодинамики. Чтобы лучше понять его суть, рассмотрим примеры, иллюстрирующие взаимосвязь изменения внутренней энергии и совершения работы.

Опыт «воздушное огниво». Возьмём толстостенный стеклянный цилиндр с поршнем. На дно цилиндра насыплем немного «серы» от спичек. Резко ударив по рукоятке, мы сильно сожмём воздух. В результате он нагреется настолько, что серный порошок воспламенится.

Объясним опыт. Удар длился очень недолго, поэтому передачей теплоты из цилиндра наружу можно пренебречь. Из внешней среды теплота также не поступала. Следовательно, теплообмен отсутствовал, то есть Q = 0. Тогда имеем: DU = 0 + A, то есть DU = A. Это равенство будет верно и наоборот: A = DU.

Полученная формула – частный случай первого закона термодинамики: при отсутствии теплообмена вся совершенная над телом работа идёт на изменение внутренней энергии тела. В нашем случае работа, совершённая над воздухом, привела к возрастанию его внутренней энергии – воздух нагрелся.

Опыт «туман в бутыли». Для него нам потребуются бутыль и насос, изображённые на рисунке. Прежде чем вставить пробку, в бутыль наливают немного воды и несколько раз встряхивают, чтобы воздух внутри стал влажным. Придерживая пробку рукой, накачивают воздух. Когда пробка готова выскочить, накачивание прекращают и ожидают 5–10 минут, чтобы воздух в бутыли охладился до комнатной температуры (так как при совершении над ним работы он нагрелся). При отпускании пробки она вылетает, и в бутыли образуется туман!

Разделим объяснение результатов этого опыта на три этапа.

Накачивая воздух, мы совершаем над ним работу. По аналогии с опытом «воздушное огниво», первый закон термодинамики запишется:. Поскольку А – положительная величина, значит, и DU положительна. Это говорит, что внутренняя энергия воздуха изменяется в большую сторону, то есть возрастает.

Затем 5–10 минут работу не совершали (A = 0), давая воздуху возможность охладиться. Следовательно, первый закон термодинамики запишется: DU = –Q. Величина –Q является отрицательной, значит, и равная ей величина DU тоже является отрицательной. Следовательно, внутренняя энергия воздуха изменяется в меньшую сторону, то есть уменьшается.

Теперь пробку отпускают, и она вылетает, подталкиваемая струёй воздуха. Всё это происходит очень быстро, поэтому теплообмен не успевает произойти: Q = 0. Кроме того, работа совершена не над воздухом, а им самим, следовательно, первый закон термодинамики запишется: DU = –A. Поскольку величина –A является отрицательной, значит, и равная ей величина DU тоже отрицательна. Следовательно, внутренняя энергия воздуха опять убывает. Он охлаждается ниже комнатной температуры, и в бутыли появляется туман.

Из истории термодинамики

В XVIII веке считалось, что одно тело теплее другого потому, что содержит больше теплорода – невесомого вещества, создающего ощущение тепла. Считалось также, что теплород нельзя ни создать, ни уничтожить; он только переходит от одних тел к другим, вызывая охлаждение первых и нагревание вторых. Однако в 1798 г. министр внутренних дел Баварии граф Б. Румфорд проделал […]

Кипение и конденсация

Нальём в сосуд чистой воды и поместим над горелкой. Вскоре на дне и стенках сосуда мы заметим мелкие пузырьки. Они содержат водяной пар и воздух, который всегда растворён в воде. Рассмотрим пузырёк, возникающий около горячего дна сосуда. Увеличиваясь в объёме, пузырёк увеличивает площадь своего соприкосновения с ещё недостаточно прогревшейся водой. В результате воздух и пар […]

Плавление и кристаллизация

Весна. Выглянуло солнышко, и сквозь осевшие сугробы и журчащие ручьи пробиваются первые подснежники. Но взгляните на рисунок: температура и снега, и талой воды остаётся 0 °С. Так будет до тех пор, пока не растает последний кристаллик льда, даже если температура воздуха станет +10 °С! В физике превращение кристаллического тела в жидкость называют плавлением. Поэтому превращение […]

Теплота плавления и парообразования

Из истории калориметрии. Что такое калориметр, для чего он служит и как устроен, мы узнали в § 6-в. А известно ли вам, что калориметрия – наука об измерении количества теплоты – составляет целый раздел физики и уходит корнями в глубь веков? Изобретению уже известного вам жидконаполненного калориметра предшествовало создание в ХVIII веке французами П. Лапласом […]

Количество теплоты и калориметр

В этом параграфе мы будем использовать два новых термина. Определим их. Теплообмен – это явление перехода внутренней энергии одного тела во внутреннюю энергию другого тела без совершения механической работы. Количество теплоты – это энергия, перешедшая от одного тела к другому при теплообмене. Вы видите калориметр – прибор для измерения количества теплоты. Простейший калориметр состоит из […]

Температура и термометры

Проводя измерения, следует помнить, что любой термометр всегда измеряет свою собственную температуру. Когда термометр приводят в контакт с изучаемым телом, мы видим разного рода изменения. Например, в термоскопе меняется давление и объём газа в шаре (см. § 6-а), а в термометрах меняется длина «столбика» ртути или подкрашенного спирта. Но вскоре между термометром и телом наступает […]

Из истории термометрии

Что такое термометр, мы знаем с малых лет. А известно ли вам, что термометрия – наука об измерении температуры – составляет целый раздел физики и уходит корнями в глубь тысячелетий? Изобретению термометра предшествовало создание термоскопа – прибора, который отмечал изменение температуры (см. рисунок). При потеплении воздух внутри шара расширялся и вытеснял воду из шара в […]

А знаете ли вы, что …

… существует совершенно плоский термометр. Он представляет собой «бумажку», которую накладывают на лоб больного. Если температура высокая, то «бумажка» становится красного цвета. … существует очень легкоплавкое металлическое вещество – сплав Вуда. Если из него отлить чайную ложечку, то в стакане с горячим чаем она расплавится и стечет на дно стакана! … на вершине горы Эверест, […]

Превращения энергии

У всех видов энергии есть общее свойство: энергия ниоткуда не возникает и никуда не исчезает; она лишь переходит из одного вида в другой или от одного тела к другому. Это утверждение называется законом сохранения энергии. Рассмотрим примеры проявления этого закона. Колебания нитяного маятника. Вы видите груз, качающийся на нити. Сначала его оттянули вправо, и он […]