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.