Первый принцип термодинамики является обобщающим законом сохранения и превращения энергии, сформулированным относительно процессов, в которых участвует теплота.
Первый принцип термодинамики можно сформулировать так: дано системе теплота расходуется на увеличение ее внутренней энергии, а также на работу против внешних сил.
Этим принципом было подведен итог многочисленным экспериментам по созданию «вечного двигателя». Первый проект такого двигателя известен еще в XIII в. Однако уже 1775 Французская академия наук решила не принимать на рассмотрение проекты вечных двигателей. Первый принцип гласит: «перпетуум мобиле» (от лат, perpetuum mobile - вечно движущийся) первого рода невозможен. Под вечным двигателем первого рода понимают такой двигатель, который, повторяя произвольное число раз тот самый процесс, способен выполнить большую работу по сравнению с тем количеством энергии, которую он поглощает извне. Иначе говоря, «перпетуум мобиле» первого рода - это такой двигатель, который сам бы порождал энергию. Если бы удалось построить «перпетуум мобиле» первого рода, человечеству не нужно было бы больше беспокоиться о топливе, химическая энергия которого превращается в двигателях внутреннего сгорания и в паровых машинах в энергию механическую, строить плотины на реках для гидросиловых установок и т.п..
Поэтому неудивительно, что было слишком много попыток построить такой вечный двигатель. Однако это никому не удалось. Ответ на вопрос «почему» дает первый принцип термодинамики. С философской точки зрения это формулировка первого принципа термодинамики, а следовательно, и закона сохранения энергии менее удовлетворительное, чем предыдущее, ибо оно отрицательное. Всякое утверждение, представленное в отрицательной форме, имеет меньшую познавательную и научную ценность, чем утверждение, представленное в утвердительной форме. В отрицательной форме закона сохранения энергии кроется конкретное, реальное содержание как универсального и абсолютного закона природы. Самое главное в законе сохранения преобразования энергии - это превращаемость форм движения материи из одной в другую. Однако в отрицательном формулировке закон сохранения энергии сводится к простому констатирование о невозможности сконструировать машину, которая бы работала, не тратя энергии. Этим ограниченным содержанием закона сохранения энергии в указанной отрицательной форме пользовались махисты в своей борьбе против материализма. Э. Мах, например, пытался доказать, что закон о невозможности создания вечного двигателя первого рода тождественно закона причинности. Следовательно, он не видел ничего нового в законе сохранения энергии, кроме простого констатирование причинной связи между явлениями. Саму причинность Э.Мах понимал идеалистически, как ограниченность нашего субъективного ожидания, а не закон природы. Предположим, что в системе происходит произвольный круговой процесс, когда система, претерпев изменений, возвращается к самому начальному состоянию, как это схематично показано на рис. 7.4. Изменится энергия системы в состоянии В после кругового процесса ВаСЬВИ На основании многовекового опыта, обобщенного закон сохранения и превращения энергии, можно ответить на этот вопрос так: внутренняя энергия системы в определенном состоянии является величиной постоянной и не зависит от того, как именно система пришла к этому состоянию.
Если система, переходя из состояния В в состояние С, вследствие взаимодействия со средой получит энергию а затем, возвращаясь к состоянию By отдаст среде энергию U2, то эти энергии равны друг другу: U1 = U2. Иначе получалось бы, если бы энергия возникала из ничего или исчезала бесследно, это противоречило бы закону сохранения и превращения энергии. Отсюда следует важный вывод: внутренняя энергия термодинамической системы является однозначной функцией состояния, то есть каждому состоянию соответствует определенное значение внутренней энергии. Понятно, что обратное утверждение - каждому значению внутренней энергии соответствует определенное состояние - совершенно неверное, потому определенному значению внутренней энергии могут соответствовать разные состояния. Энергия является мерой движения. Движение является неотъемлемым свойством материи. Поэтому увеличение или уменьшение энергии системы означает изменение в ней движения в количественном и качественном отношениях. Изменение движения сопровождается изменением свойств системы, ее физического состояния, который характеризуется определенными параметрами. Предположение, что в том же состоянии системы энергия может быть не одна-В одинаковым по значению, равнозначно предположению,
что движение не связан с материей, а является чем-то внешним относительно нее. Однако это противоречит основам материалистической диалектики о неразрывной связи материи и движения. Внутренняя энергия - однозначная функция термодинамического состояния. Внутренняя энергия системы в состояниях В и С (см. рис. 7.4) определяется состояниями системы Рис. 7.4 и не зависит от того, как именно система перешла, например, из состояния В в С (ВАС или ВЬС). Следовательно, изменение внутренней энергии системы при переходе из одного состояния в другое не зависит от способа (пути) перехода, она зависит только от начального и конечного состояний. Это еще одной формулировкой первого принципа термодинамики.
Перейдем к количественному формулировка его. Рассмотрим термодинамическую систему, например газ в цилиндре с поршнем, который перемещается. Вследствие взаимодействия со средой энергия переходит в систему или, наоборот, от системы к среде. Обмен энергией может осуществляться только двумя способами: в результате работы или нагрева. Эти два способа не исключают друг друга и могут действовать одновременно: например, энергию газа можно увеличить одновременным сжатием и нагревом. Если тело не получает извне никакой энергии, то работа, которую выполняет газ при своем расширении, выполняется за счет его внутренней энергии. Эта энергия U состоит из кинетической энергии теплового движения молекул и потенциальной энергии взаимодействия их.
Однако изменение внутренней энергии тела при произвольном процессе, вообще говоря, не совпадает с проделанной работой, тело может получать (или отдавать) энергию также через непосредственный переход от других тел. При этом механическая работа не выполняется. Полученную таким образом энергию называют количеством теплоты. Считать эту величину положительной, если тело получает некоторое количество теплоты, и отрицательной, если оно отдает ее.
Пусть газа под поршнем предоставили количество теплоты AQ = Q2 - Qi. Вследствие расширения газа поршень поднимется на высоту Ah. Из рис. 7.4 видно, что эти площади разные: при переходе из состояния В в состояние С пути вас система выполняет большую работу, чем при переходе путем ВЬС. Следовательно, работа, которую выполняет система при переходе из одного состояния в другое, зависит от пути перехода. Поскольку AU в уравнении (7.9) является величиной постоянной для данных начального и конечного состояний, а количество выполняемой работы не является величиной постоянной и зависит от пути, то очевидно, что количество теплоты, которую надо выдать системе, чтобы переход состоялся, также зависит от пути перехода. Как следует из (7.9), для перехода из состояния В в состояние С пути вас система должна получить большее количество теплоты, чем для перехода путем ВЬС.
Итак, как работа, выполненная системой, так и количество теплоты, которую получает система при переходе из одного состояния в другое, зависят от пути перехода.
Вполне понятно, что приведенные рассуждения остаются в силе и тогда, когда система при переходе отдает теплоту или когда над системой выполняется работа.
Таким образом, когда известны только начальное и конечное состояния системы, а путь, которым произошел переход, неизвестный, то нельзя ничего сказать о том, сколько энергии система получила (или потеряла) в результате работы и сколько от нагрева: количество работы и количество теплоты не является функциями состояния термодинамической системы. Итак, содержание первого принципа термодинамики можно раскрыть с помощью внутренней энергии системы и двух единственно возможных эквивалентных форм передачи энергии - работы и теплоты.
Загрузка...