2. Первое начало термодинамики
Хотя исторически термодинамика создавалась для объяснения работы и повышения эффективности работы тепловых машин, сконструированных человеком, законы термодинамики универсальны и выполняются независимо от того, где происходит трансформация энергии.
Напомню некоторые основные термодинамические понятия.
Термодинамическая система называется изолированной, если она не обменивается ни энергией, ни веществом. Пример – Солнечная система.
Если происходит обмен только энергией, то система называется замкнутой (пример –Земля). Частным случаем замкнутой системы является адиабатическая, она не обменивается со средой теплом. Другим частным случаем замкнутой системы является диатермальная, которая обменивается с окружающим пространством теплом.
Открытой называется система, обменивающаяся и энергией и веществом.
Поведение замкнутой системы (обмен только энергией) занимает промежуточное положение между изолированными и открытыми системами: если внешние переменные окружающей среды сохраняют постоянное значение, то они однозначно определяют значение внутренних переменных системы в состоянии равновесия. Если же параметры внешней системы меняются, то происходит изменение параметров и внутри системы.
Величины, однозначно определяемые при равновесии системы, называются в термодинамике функциями состояния системы. Одна из задач термодинамики – вычисление изменений функций состояния при переходе из одного равновесного состояния в другое. При этом анализируются не абсолютные значения этих функций, а лишь их приращения. В этом смысле термодинамику логичнее было бы назвать «термостатикой»
Система находится в состоянии равновесия, если ни одно из её свойств не меняется со временем. Ясно, что изолированная система достигает равновесия, не зависящего от параметров и свойств окружающей среды. Наоборот, поскольку все биологические системы являются открытыми, они зависят от состояния окружающей среды и могут изменять его. Это означает, что функционирование биологических систем, в том числе экологических, в процессе их существования изменяет состояние окружающей среды, то есть оказывает влияние на экологию.
Термодинамика строится на основе трех фундаментальных законов (начал термодинамики), которые установлены эмпирически и не имеют строгого теоретического обоснования.
Внутренняя энергия системы – сумма энергия – сумма энергий всех видов движения и взаимодействия входящих в систему частиц, включая энергию поступательного, вращательного и колебательного движения атомов и молекул, энергию молекулярного взаимодействия, внутриядерной энергии и т.д. Внутренняя энергия системы является функцией состояния системы, т.е. она однозначно определяется при равновесии системы.
Первый закон термодинамики: при сообщении термодинамической системе определенного количества энергии dQ происходит приращение внутренней энергии системы (dU)
dQ = dA + dU
Или – за счет приращения внутренней энергии (dU) система совершает работу (dA)
dA = dQ – dU
В соответствии с несколько другой формулировкой первого закона термодинамики, приращение внутренней энергии системы равно разности между энергией dQ, переданной системе, и работой (dA), совершаемой системой
dU = dQ – dA
Итак, подведенная в систему энергия dQ затрачивается на
Приращение внутренней энергии dU
Совершения работы dA.
Выделение тепла dQ.
Величину dA в термодинамике почти всегда можно представить как произведение двух переменных, одна из которых является интенсивной (не зависит от размера системы), а другая – экстенсивной (зависит от размера системы). Например, работа, совершаемая при расширении газа, описывается формулой dA = p·dV, где p – давление (интенсивная переменная), dV – изменение объема (экстенсивная переменная).
Другой пример – поверхностная работа натяжения описывается выражением dA = σ·dS, где σ – поверхностное натяжение (интенсивной параметр), dS – изменение поверхности (экстенсивный параметр).
Последний пример – работа сокращения мышцы dA = f·dl, где f – сила (интенсивной параметр), dl – изменение линейного размера (экстенсивный параметр).
При переходе из одного состояния живого объекта или системы в другое подведенная в систему энергия dQ тратится на работу dA, совершаемую объектом или системой, приращение внутренней энергии dU и выделяется в виде теплоты dQ внутри организма или экосистем. Если, т.е. система не совершает работы dA = 0, то поступающая в систему энергия тратится на повышение внутренней энергии системы dU = dQ.
В соответствии с законами физики энергия не исчезает и не возникает вновь, она только трансформируется из одного вида в другой. Еще раз приведу первое уравнение dQ = dA + dU. В стационарном состоянии внутренняя энергия системы не изменяется (dU = 0) и подведенная энергия затрачивается на работу системы dQ = dA. В соответствии с законами физики энергия не исчезает и не возникает вновь, она только трансформируется из одного вида в другой. В этом случае, сколько энергии входит в стационарную систему, столько же из неё должно выйти. Другими словами, суть первого закона термодинамики – закон сохранения энергии. Энергия на входе живого объекта или экосистемы в стационарном состоянии равна энергии на выходе.
Положение, что энергия не исчезает, а только трансформируется из одного вида в другой, породило множество предложений perpetuum mobile (вечный двигатель), который бы функционировал вечно без подвода дополнительной энергии. Вечный двигатель первого рода – воображаемая, непрерывно действующая машина, которая, будучи раз запушенной, совершала бы работу без получения энергии извне. Если нет подвода энергии в систему dQ = 0 и dA = – dU, т.е. работа совершается за счет уменьшения внутренней энергии системы. Внутренняя энергия системы всегда конечна, уже отсюда следует невозможность создания вечного двигателя. Другими словами, вечный двигатель первого рода противоречит закону сохранения и превращения энергии, т.е. первому началу термодинамики.
Первый закон термодинамики ничего не говорит о том, как определить значение внутренней энергии системы в равновесном состоянии, он только указывает способ оценки изменения этой энергии при переходе между двумя состояниями: dU = dQ – dA.