Первым началом термодинамики является закон сохранения энергии в применении к термодинамическим системам. В нем фигурируют три величины — ?E (изменение внутренней энергии), w (работа) и Q (теплота).
1. Внутренняя энергия системы – это сумма энергии теплового движения молекул, внутримолекулярной энергии и энергии межмолекулярного взаимодействия.
Абсолютное значение этой величины, как правило, не известно (кроме системы идеального газа (1.2, а). Поэтому оперируют лишь величинами ?Е — изменениями внутренней энергии в процессах. Заметим также, что в литера¬туре эту величину часто обозначают буквой U.
2. а) Что же касается теплоты и работы, то это две единственные формы передачи энергии от системы к внешней среде и обратно.
б) Причем работа — такой переход одной формы энергии в другую (в т.ч. в тепловую), который сопровождается преодолением некоего сопротивления и (или) приобретением телом тангенциального ускорения.
Впрочем, дополнение насчет ускорения существенно лишь для механической работы. Нам же предстоит рассматривать другие виды работы — электрическую, осмотическую, химическую.
в) Знаки теплоты и работы определяются схемой (см. рис. 1.5).
I. Q и w — положительные величины, если система получает теплоту или над ней производится работа.
II. Наоборот, Q и w — отрицательны, если система отдает теплоту или сама производит работу.
Выбор таких знаков обусловлен тем, что в первой паре случаев теплопередача или работа увеличивают энергию системы (?Е > 0), а в следующей паре — снижают (?E < 0). Соответствующий знак (плюс или минус) ставится не перед буквами Q и w, а перед цифровым значением соответствующей величины: например, Q = –300 кДж или w = +50 кДж.
3. Теперь можно сформулировать первое начало термодинамики:
Следовательно, каким бы ни было направление теплопередачи и работы, изменение внутренней энергии в процессе есть алгебраическая сумма переданной теплоты и совершенной работы.
4. Отметим принципиальную разницу между фигурирующими здесь величинами.
а) Как известно, Е (внутренняя энергия) — функция состояния. Значит, по общему свойству таких характеристик (п. 1.1), ?Е не зависит от способа перехода системы из одного состояния в другое.
б) Но этого нельзя сказать о теплоте и работе. Пример с газом (п. 1.3) показал, что при обратимом и необратимом способах расширения газ совершает разную работу.
Следовательно, будет различной и теплота процесса (так как ?Е = const).
Таким образом, в общем случае ни w, ни Q не являются функциями состояния.