Первый закон (начало) термодинамики (№1)
То, что внутреннюю энергию системы можно изменить двумя способами — благодаря выполнению работы или вследствие теплопередачи, побудило ученых искать взаимосвязь между соответствующими величинами. Сначала в 1842 году немецкий естествоиспытатель Р. Майер теоретически установил, а со временем английский физик Дж.
Джоуль в 1843 году экспериментально доказал эквивалентность количества теплоты и работы как меры внутренней энергии.
Теоретическим исследованиям Р. Майера и фундаментальным опытам Дж. Джоуля предшествовали наблюдения Б. Румфорда относительно получения теплоты за счет трения при сверлении пушечных стволов.
Суть опытов Джоуля состояла в том, что в калориметре перемешивалась ртуть или вода (рис. 2.4). Вследствие трения их температура повышалась.
Джоуль сделал так, что опыт можно было повторять много раз, поскольку изменение температуры воды за один цикл было незначительным (после 10—20 опусканий разновесов температура воды повышалась лишь на 0,5 °С). Так, стержень с лопатками, помешенный в калориметр, приводился в движение силами, возникающими вследствие действия силы тяготения разновесов.
Их перемещения измерялись с помощью шкалы. Учитывая по возможности разные потери энергии, ученый получил значение механического эквивалента теплоты, равное 4.19.
Оно отличается от ныне принятого лишь на 0,5%.
Научное значение опытов Дж. Джоуля заключалось в том, что по его результатам были сделаны обобщения относительно сохранения энергии в природе:
Энергия в природе не возникает из ничего и никуда не исчезает; она лишь переходит с одной формы в другую.
Позднее этот фундаментальный закон природы приобрел логическую форму первого закона термодинамики.
Первый закон термодинамики. Переход термодинамической системы из одного состояния в другое характеризуется изменением ее внутренней энергии, которая равна сумме работы внешних сил и количества теплоты, получаемого (отдаваемого) системой:
ΔU = A + Q.
Первый закон термодинамики является законом сохранения энергии.
Конечно, в любом состоянии тело имеет определенную внутреннюю энергию. Тем не менее неправильно будет утверждать, что оно имеет определенное количество теплоты или работы.
Независимо от того, каким образом происходит изменение состояния тела, это состояние однозначно определяет внутренняя энергия. Так, газ может нагреться за счет предоставления ему определенного количества теплоты или вследствие выполнения внешними силами работы (например, сжимание газа).
Однако нельзя однозначно ответить, благодаря какому из процессов — выполнению работы или теплопередаче — состоялось нагревание газа.
Внутренняя энергия является однозначной функцией состояния тела. Ее изменение обусловлено переходом тела из одного состояния в другое за счет выполнения работы и теплопередачи.
Если система сама выполняет работу вследствие теплопередачи, то первый закон термодинамики приобретает другой вид:
Q = ΔU + pΔV.
Количество теплоты, предоставленное термодинамической системе, ведет к изменению ее внутренней энергии или выполнению ею работы либо того и другого одновременно.
Последняя формулировка важна с точки зрения отрицания возможности создания вечного двигателя:
нельзя создать машину, которая бы неограниченно выполняла работу, не получая энергию извне.
Ведь если количество теплоты Q = 0, то A’ = —ΔU, то есть работа выполняется за счет уменьшения внутренней энергии, которая не безгранична.
Еще в 1775 году Французская академия наук приняла решение не рассматривать проекты вечных двигателей.
