Важнейшим законом, на котором основываются термодинамические расчеты для самых различных случаев, является Первый Закон термодинамики (иногда говорится Первое Начало термодинамики). Рассмотрим этот закон подробнее.
Однако, доказать это свойство удалось далеко не сразу. Если рассмотреть примеры различных механических процессов с потерей энергии в результате трения, то все выглядит так, как будто механическая энергия исчезает. То, что при трении происходит нагрев, было известно давно, однако, то, что тепло является энергией, которая при трении перешла из кинетической во внутреннюю, впервые отмечено лишь в конце XVIIв Г. Лейбницем.
Современный вид закон сохранения энергии принял в работах Р. Майера.
Позже он был расширен Дж. Джоулем, а окончательную строгую формулировку получил в трудах Г. Гельмгольца.
Полное теоретическое обоснование закона было получено лишь в 1918 г Э. Нёттер. Было доказано, что закон сохранения энергии – это следствие симметрии времени (равноправности всех моментов времени в замкнутой инерциальной системе).
Первый Закон термодинамики
Закон сохранения энергии, распространенный на тепловые явления, стал называться Первым Законом (иногда говорится Первым Началом) термодинамики.
Если в механике рассматривается энергия движения тел, то термодинамика рассматривает их внутреннюю энергию, а также ее изменение за счет совершения работы либо за счет теплообмена. Вся энергия, полученная телом за счет этих двух способов, пойдет на увеличение внутренней энергии. То есть, суть Первого Закона термодинамики будет сформулирована следующим образом.
Изменение внутренней энергии системы равно сумме работы внешних сил над системой и количества теплоты, переданной системе.
Математически формула первого закона термодинамики имеет вид:
$$ΔU=A+Q,$$
где:
- $ΔU$ – изменение внутренней энергии системы;
- $A$ – работа внешних сил над системой;
- $Q$ – количество теплоты, переданное системе.
Из представленной формулы Первого Закона термодинамики следует, что, после того, как системе были подведены тепло и работа, говорить о том, что тело «содержит» это количество теплоты или работы нельзя. Подводимая к телу теплота или совершаемая работа влияет только на изменение внутренней энергии. Определение же общего количества внутренней энергии тела может быть получено в рамках не термодинамики, а молекулярно-кинетической теории. Характеристикой общей внутренней энергии тела является температура.
Также из данной формулы можно получить закон сохранения внутренней энергии. В самом деле, для изолированной системы работа внешних сил и количество теплоты равно нулю ( $A = 0$ и $Q = 0$). А значит, $ΔU = U_2 – U_1 = 0$ или $U_2 = U_1$, то есть:
$$U=const, при A=0,Q=0$$
Внутренняя энергия изолированной системы постоянна.
Вечный Двигатель и Первый Закон термодинамики
Устройство, совершающее работу без затрат энергии, называется Вечным Двигателем первого рода. Применение такого устройства сулит пользователю огромную выгоду. Многие изобретатели прошлого пытались построить такую машину, но всегда терпели неудачу.
Причина кроется в нарушении таким Вечным Двигателем Первого Закона термодинамики.
Если система не получает тепло, то полезная работа (то есть, работа, которую совершает система над внешними объектами) может быть совершена только за счет уменьшения внутренней энергии:
$$А_{полезн}=-ΔU$$
А значит, рано или поздно запасы внутренней энергии будут израсходованы, и двигатель не сможет совершать полезную работу. Смысл же Вечного Двигателя в постоянном совершении работы.
Что мы узнали?
Первый Закон термодинамики гласит, что изменение внутренней энергии системы равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданной системе. Этот закон является следствием закона сохранения энергии, который, в свою очередь, является следствием симметрии времени. Первый Закон термодинамики обосновывает невозможность существования Вечного Двигателя первого рода.
