Первое начало термодинамики. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Первое начало термодинамики - закон сохранения энергии для термодинамич. системы, согласно к-рому работа может совершаться только за счёт теплоты или к--л. др. формы энергии. Поэтому работу и кол-во теплоты можно измерять в одних единицах - Джоулях (1 Дж = 0,239 кал = 0,102 кгс/м). П. н. т. сформулировано как закон природы Ю. Р. Майером (J. R. Мауег) в 1842 и установлено экспериментально Дж. Джоулем (J. Joule) в 1843. П. н. т. можно формулировать как невозможность существования вечного двигателя 1-го рода, к-рый совершал бы работу, не черпая энергию из к--л. источника.
Согласно П. н. т., теплота Q, сообщаемая системе, равна сумме приращения внутр. энергии U и работы, производимой системой против внеш. сил:

Q = U₂-U₁ + A; при бесконечно малом изменении состояния системы:

где

- бесконечно малое кол-во теплоты, передаваемой системе,

- работа, совершаемая системой против внеш. сил, dU - изменение её внутр. энергии.
Ур-ние (1) является определением величины dU, т. к.

- независимо измеряемые величины. П. н. т. утверждает, что dU есть полный дифференциал нек-рой функции U (величины

, вообще говоря, не являются полными дифференциалами). Т. о., любая термодинамич. система обладает функцией состояния - энергией U, зависящей лишь от параметров, определяющих равновесное состояние системы, и не зависящей от процесса, к-рым система была приведена в это состояние. Передаваемое тепло Q и работа А зависят от пути, по к-рому совершается процесс, т. к. величины

не есть полные дифференциалы. В системах, обменивающихся со средой веществом и энергией, в П. н. т. следует учитывать энергию Z, передаваемую при переносе массы: Q = U₂ - U₁ + А + Z.
Энергию U можно экспериментально определить, измеряя работу, совершаемую адиабатически замкнутой термодинамич. системой (т. е. при Q = 0), тогда А_ад= U₂ - U₁, что определяет U с точностью до аддитивной постоянной. Работу А можно определить по изменениям параметров системы. Напр., при бесконечно малом расширении однородной системы (жидкости или газа) при давлении Р её работа

= PdV и, следовательно,

Ур-ние (1) в этом случае имеет вид

В общем случае, если система характеризуется п экстенсивными параметрами a_l, ..., а_пи обобщёнными силами Х₁, ..., Х_п, элементарная работа

П. н. т. можно формулировать также с помощью энтальпии Н = U + PV, т. к.

Такая форма удобна для применения П. н. т. к стационарным процессам (см. Джоуля - Томсчна эффект). П. н. т. имеет многочисленные приложения, особенно эффективные при использовании также и второго начала термодинамики. Следствием П. н. т. является формула Майера для разности между теплоёмкостью при постоянном давлении и при постоянном объёме:

эта величина означает кол-во тепла, перешедшее в работу.
В феноменологич. термодинамике внутр. энергию U = U(V,T)рассматривают как экспериментально измеряемую функцию (калорическое уравнение состояния). Статистич. физика позволяет теоретически рассчитать ур-ние состояния исходя из законов взаимодействия между молекулами и вывести соотношение (2). При этом одновременно получается статистич. обоснование как П. н. т., так и 2-го начала термодинамики.

Литература по первому началу термодинамики

Знаете ли Вы, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.