Закон сохранения энергии, сформулированный в середине XIX в.
на основе многочисленных экспериментов по преобразованию всех известных в то время видов энергии, носит всеобщий характер и за прошедшие с тех пор полтора столетия многократно подтвержден. Этот закон выполняется и в космических масштабах, и в земных, и в микромире.
Первое начало термодинамики — наиболее общая математическая форма записи этого закона в применении к макросистемам, к системам, для которых имеет смысл понятие внутренняя энергия или, если хотите, понятие температура. Для таких систем все взаимодействия, независимо от их природы, в конечном счете сводятся к передаче и преобразованию энергии в одной из двух форм — теплообмена или совершения механической работы. И то, и другое — процессы! А описываются они двумя физическими величинами, измеряемыми в энергетических единицах — количеством теплоты и работой. И количество теплоты, и работа не являются формами энергии, обе эти величины являются мерой изменения энергии в двух разных процессах. Например, в мысленном опыте Майера внутренняя энергия нагревателя (энергия!) перешла во внутреннюю энергию заключенного в сосуде воздуха (энергия!) путем передачи некоторого количества теплоты (мера изменения энергии!) и пошла на увеличение потенциальной энергии столбика ртути (энергия!) путем совершения механической работы (мера изменения энергии!).
В опытах Джоуля, мы видели, вся механическая работа шла на увеличение внутренней энергии системы. Что же касается внутренней энергии, то она далеко не всегда целиком идет на совершение механической работы, изобарный процесс тому яркое свидетельство. Казалось бы, в круговых процессах дело обстоит проще, потому что алгебраическая сумма работ равна алгебраической сумме количеств теплоты и это равенство свидетельствует о полном переходе внутренней энергии в механическую. Но это не так. Алгебраическая сумма работ действительно есть разность между работой, совершенной системой, и работой, совершенной над системой. А вот часть внутренней энергии может быть отдана третьему телу. Можно ли в ходе кругового процесса совершить некоторую работу и не отдавать внутреннюю энергию третьему телу? Если нет, то какую часть ее мы должны отдать? И вообще, все ли процессы, в которых баланс энергии подчиняется первому началу термодинамики, возможны? Вот на все эти и некоторые другие вопросы мы получим ответы в следующей главе.