5.2 Первый закон термодинамики

5.2.1 Теплота и работа

Внутренняя энергия системы, как было отмечено выше, изменяется в результате взаимодействия системы с внешней средой. Это взаимодействие может быть двояким. Первый способ передачи энергии(обмен энергии в виде тепла) реализуется при непосредственном контакте тел, имеющих различную температуру, путём обмена кинетической энергией между молекулами соприкасающихся тел. При этом энергия передаётся от более нагретого тела к менее нагретому, т.е. от тела, имеющего большую среднюю кинетическую энергию молекул, к телу с меньшей кинетической энергией молекул. Поскольку передача энергии этим способом происходит на молекулярном уровне, без видимого движения тел, то её называют микрофизической формой передачи энергии.Количество энергии, переданной первым способом от одного тела к другому, называют количеством теплоты,или простотеплотой.

Теплота, также, как любая энергия, измеряется в Джоулях (Дж). Принято обозначать произвольное количество теплоты через Q,а удельное (отнесённое к 1 кг) -через q. Подведённая теплота считается положительной, а отведённая - отрицательной.Второй способ передачи энергиисвязан сналичием силовых полей или внешнего давления. Для передачи энергии этим способом тело должно либо передвигаться в силовом поле, либо изменять свой объём под действием внешнего давления. Иначе говоря, в этом случае передача энергии происходит при условии перемещения всего тела или его части в пространстве. Поэтому второй способ будетмакроскопической формой передачи энергии. Этот способ называетсяпередачей энергии в форме работы, а количество переданной энергии в процессе - работой.

Работа также измеряется в Джоулях. Произвольное количество энергии,

переданное в форме работы, обозначают через L, а удельное - l.

В общем случае передача энергии в форме теплоты и в форме работы может происходить одновременно. При этом важно отметить, что в различных термодинамических процессах, в зависимости от условий их протекания, количество теплоты и работы будет также различно.

Следовательно, теплота и работа являются функциями процесса.

5.2.2 Уравнение первого закона термодинамики

Пусть 1 кг рабочего тела совершают некоторый процесс (рис. 5.2.), на элементарном участке (ав) которого подводится бесконечно малое количество энергии в форме теплоты - dq; при этом температура и объем тела увеличиваются соответственно на бесконечно малые величины (dT и dv).

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 5.2. К выводу уравнения 1-го закона термодинамики

С повышением температуры тела на dT увеличивается скорость молекул или увеличивается его внутренняя кинетическая энергия. С увеличением объема тела на dv увеличивается расстояние между молекулами, что связано с увеличением его внутренней потенциальной энергии. Сумма изменений внутренней кинетической и внутренней потенциальной энергии представляет собой полное изменение внутренней энергии du.

С увеличением объема на dv тело совершает внешнюю работу по преодолению внешних сил, которую обозначают dl. Если в рабочем теле не происходит каких-либо других явлений и отсутствует кинетическая энергия видимого движения, то согласно закону сохранения энергии, можно написать для элементарного процесса с учетом выбранного правила знаков следующее уравнение:

du=dq-dl, u₂-u₁=q-l; или dq=du+dl; (5.5)

q=u+l=u2-u1+l.

Полученное уравнение является математическим выражением 1-го закона термодинамики. Он формулируется так:

Изменение внутренней энергии термодинамической системы равно алгебраической сумме полученной системой энергии в форме теплоты и совершенной ею внешней работы, или: подведенная к рабочему телу энергия в форме теплоты расходуется на изменение внутренней энергии тела и на совершение телом внешней работы.

Применительно к движущемуся рабочему телу, у которого в общем случае изменяется кинетическая энергия видимого движения, уравнение первого закона термодинамики принимает вид:

(5.6)

где dl- работа газа против внешних сил при его движении, или работа проталкивания (она не равна работе расширения dl);приращение внешней кинетической энергии при перемещении газа (например, вращение турбины).

Все величины, входящие в уравнение (5.6), могут быть как положительными, так и отрицательными (или равны нулю).

5.2.3 Энтальпия

В прошлом столетии физик Гиббс ввел в практику тепловых расчетов новую функцию, которая называется тепловой функцией Гиббса или энтальпией.Удельная энтальпия, т.е. энтальпия, отнесенная к 1 кг, представляет собой по определению сложную функцию вида:

i == u + pv, Дж/кг.

Поскольку входящие в энтальпию величины u, р и v являются параметрами (функциями) состояния, следовательно, и сама энтальпия будет также параметром (функцией) состояния. Используя понятие энтальпии, можно получить новый вид уравнения 1-го закона термодинамики. Для этого выразим дифференциал энтальпии:

di == du + pdv + vdp, (5.7)

откуда

du == di - pdv - vdp, (5.8)

Подставляя выражение (5.7') в формулу (5.8), помня, что dl=pdv, получим: dq=di-vdp-pdv+pdv. Окончательно dq=di-vdp; или

. (5.9)

При p=const уравнение (5.9) имеет вид:

dq=di , (5.10)

то есть дифференциал энтальпии di есть элементарное количество теплоты, участвующее в процессе при p=const.

Существуют и другие формулировки 1-го закона термодинамики. Так, например, используемая формулировка 1-го закона термодинамики в экологических процессах, гласит: любые изменения в изолированной системе оставляют ее общую энергию постоянной; или, при всех макроскопических процессах энергия не создается и не исчезает, а лишь переходит из одной формы в другую.