Первый закон термодинамики

Эквивалентность теплоты и работы

3. Первый закон термодинамики отражает тот факт, что внутренняя энергия системы может быть изменена как в процессе совершения работы, так и в результате теплопередачи. Работа и количество теплоты являются мерами изменения внутренней энергии системы при разных процессах.

Очевидно, что внутренняя энергия системы может быть изменена на одно и то же значение только при передаче ей некоторого количества теплоты или только при совершении работы без теплообмена. Например, внутренняя энергия газа в цилиндре может быть увеличена на одно и то же значение при его сжатии и при теплообмене.

В этом заключается принцип эквивалентности теплоты и работы, который был доказан в 1843 г. опытами английского физика Джоуля и других учёных. Было показано, что за счёт работы 1 Дж внутренняя энергия системы всегда изменяется на столько же, на сколько она изменяется при сообщении ей количества теплоты 0,24 кал¹.

¹ Калория (1 кал) — внесистемная единица количества теплоты. 1 кал — количество теплоты, необходимое для нагревания воды массой 1 г на 1 °С. 1 кал = 4,16 Дж.

Невозможность создания вечного двигателя

4. Долгое время учёные предпринимали попытки создания вечного двигателя, т. е. такого устройства, которое совершало бы механическую работу только за счёт внутренней энергии, не получая энергии извне. Из первого закона термодинамики следует невозможность создания такого двигателя. Действительно, если к системе не подводят энергию, т. е. Q = 0, то работа будет совершаться только за счёт внутренней энергии системы, которая с течением времени будет уменьшаться и в конце концов станет равной нулю, и двигатель перестанет работать.

Вопросы для самопроверки

1. Что является мерой изменения внутренней энергии тела при совершении работы? Когда совершается положительная работа; отрицательная работа?

2. Что является мерой изменения внутренней энергии тела при теплопередаче?

3. Сформулируйте первый закон термодинамики.

4. В чём заключается принцип эквивалентности теплоты и работы?

Упражнение 20

1. Можно ли считать, что первый закон термодинамики является законом сохранения энергии? Ответ поясните.

2. Может ли изменение внутренней энергии системы быть отрицательным?

3. Может ли внутренняя энергия системы остаться неизменной, если она одновременно участвует в теплообмене и совершает работу?

4. Определите изменение внутренней энергии системы, если совершённая ею работа равна 6 Дж, а сообщённое системе количество теплоты 9 Дж.

5. Определите работу внешних сил над системой, если система отдала количество теплоты 3,2 кДж и её внутренняя энергия увеличилась на 2,2 кДж.

Ответы

4. 3 Дж.

5. 5,4 кДж.

<<< К началу