Закон сохранения энергии в макроскопических процессах (первое начало термодинамики)

XIXв. ознаменовался открытием одного из самых великих принципов современной науки. Этот принцип гласит, что существует определенная величина, названная энергией, которая не меняется ни при каких превращениях, происходящих в природе.

Энергия – общая количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи.Понятие энергии позволило объединить все явления природы, рассматривать все физические, химические и биологические процессы  с единой точки зрения.

История открытия закона сохранения энергии кратко изложена в теме 1.3. Термин “энергия” впервые был введен в науку Юнгом. Как термин, обозначающий величину, сохраняющуюся в различных физических процессах, он окончательно вошел в научный обиход после работ У. Томсона (Кельвина) в 1849 г. Введение понятия “энергия” имело огромное значение для развития фундаментальной науки. Впервые абстрактное понятие заняло центральное место в науке, придя на смену “ньютоновой силе”, соответствующей чему-то наглядному, конкретному.

Механическая энергия и внутренняя энергия – это только две из многих форм энергии. Все, что может быть превращено в какую-либо из этих форм, тоже есть форма энергии. В соответствии с различными формами движения материи рассматривают различные формы энергии: механическую, электромагнитную, ядерную, химическую и др. Это подразделение до известной степени условно. Так, химическая энергия складывается из кинетической энергии движения электронов и электрической энергии взаимодействия электронов друг с другом и с атомными ядрами. Внутренняя энергия равна сумме кинетической энергии хаотического движения молекул относительно центра масс тел и потенциальных энергий взаимодействия молекул друг с другом. По сути дела, все явления, связанные с распределением и превращением энергии сводятся к энергии четырех фундаментальных взаимодействий элементарных частиц (сильного, слабого, электромагнитного и гравитационного).

Всеми явлениями природы управляет закон сохранения и превращения энергии: Энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает: количество энергии неизменно, она только переходит из одной формы в другую.

В теории относительности показывается, что энергия тела неразрывно связана с его массой тсоотношениемЕ=mс², гдес – скорость света в вакууме. Еслиm_о – масса покоящегося тела, то его энергия покояE_o=m_ос².Эта энергия может переходить в другие виды энергии при превращениях частиц (распадах, ядерных реакциях и т. д.), при этом масса уменьшается. С установлением эквивалентности массы и энергии данный закон рассматривается какзакон сохранения массы и энергии.

Первое начало (закон) термодинамики– это закон сохранения и превращения энергии в изолированной термодинамической системе. Формулировка закона сохранения энергии как первого начала термодинамики связана с введением понятия внутренней энергии. Это понятие было введено в 1851 г. У.  Томсоном (Кельвином).

Возможны два качественно различных способа передачи энергии от одного макроскопического тела к другому – в форме работы Аи в форме теплотыQ(путем теплообмена).

Передача энергии в форме работы производится в процессе силового взаимодействия тел и всегда сопровождается макроскопическим перемещением. Передача энергии путем теплообмена между телами обусловлена различием температур этих тел.

Первый закон термодинамикиустанавливает эквивалентность этих двух способов передачи энергии, утверждая, что изменить внутреннюю энергию тела можно любым из этих способов:изменение внутренней энергии физической системы (DU) в каком-нибудь процессе представляет собой алгебраическую сумму количества теплоты Q, которой система обменивается в ходе теплообмена с окружающей средой, и работы А, совершенной системой или произведенной над ней:

DU = Q – A.

Другими словами, тепло, полученное системой, идет на приращение ее внутренней энергии и на производство внешней работы.

Энергетическая эквивалентность теплоты и работы, то есть возможность измерения их количеств в одних и тех же единицах и, соответственно, возможность их сравнения была доказана опытами Ю. Р. Майера (1842) и Дж. Джоуля (1843). Первое начало термодинамики было сформулировано Майером, а затем в значительно более ясной форме Г. Гельмгольцем (1847).

Согласно закону сохранения энергии, внутренняя энергия является однозначной функцией состояния физической системы, то есть однозначной функцией независимых переменных, определяющих это состояние, например, температуры Ти объемаVили давленияр.DUопределяется лишь значениями внутренней энергии в начальном и конечном состояниях:DU = U₂ – U₁. Для любого замкнутого процесса, возвращающего систему в первоначальное состояние (U₂ = U₁), изменение внутренней энергии равно нулю иQ = А.

Следствием первого начала термодинамики является невозможность вечного двигателя (перпетуум мобиле) первого рода, то есть такого двигателя, который бы производил работу без затрат энергии, “из ничего”.