Первый закон (начало) термодинамики (№1)

То, что внутреннюю энергию системы можно изменить двумя способами — благо­даря выполнению работы или вследствие теплопередачи, побудило ученых искать взаимосвязь между соответствующими величи­нами. Сначала в 1842 году немецкий естест­воиспытатель Р. Майер теоретически уста­новил, а со временем английский физик Дж. Джоуль в 1843 году экспериментально доказал эквивалентность количества тепло­ты и работы как меры внутренней энергии.

Теоретическим исследованиям Р. Майера и фундаментальным опытам Дж. Джоуля предшест­вовали наблюдения Б. Румфорда относительно получения теп­лоты за счет трения при свер­лении пушечных стволов.

Суть опытов Джоуля состояла в том, что в калориметре перемешивалась ртуть или вода (рис. 2.4). Вследствие трения их темпе­ратура повышалась. Джоуль сделал так, что опыт можно было повторять много раз, поскольку изменение температуры воды за один цикл было незначительным (после 10—20 опусканий разновесов температура воды повышалась лишь на 0,5 °С). Так, стержень с лопатками, помешенный в кало­риметр, приводился в движение силами, возникающими вследствие действия силы тяготения разновесов. Их перемещения из­мерялись с помощью шкалы. Учитывая по возможности разные потери энергии, уче­ный получил значение механического эк­вивалента теплоты, равное 4.19. Оно отли­чается от ныне принятого лишь на 0,5%.

Рис. 2.4. Опыт Джоуля

Вид калориметра в разрезе

Научное значение опытов Дж. Джоуля заключалось в том, что по его результатам были сделаны обобщения относительно со­хранения энергии в природе:

Энергия в при­роде не возникает из ничего и никуда не исчезает; она лишь переходит с одной формы в другую.

Позднее этот фундаментальный закон при­роды приобрел логическую форму первого закона термодинамики.

Первый закон термодинамики. Переход термодина­мической системы из одного состояния в другое характеризуется изменением ее внут­ренней энергии, которая равна сумме работы внешних сил и количества теплоты, полу­чаемого (отдаваемого) системой:

ΔU = A + Q.

Первый закон термодинамики является законом сохранения энергии.

Конечно, в любом состоянии тело имеет определенную внутреннюю энергию. Тем не менее неправильно будет утверждать, что оно имеет определенное количество теп­лоты или работы. Независимо от того, ка­ким образом происходит изменение со­стояния тела, это состояние однозначно оп­ределяет внутренняя энергия. Так, газ может нагреться за счет предоставления ему опре­деленного количества теплоты или вслед­ствие выполнения внешними силами ра­боты (например, сжимание газа). Однако нельзя однозначно ответить, благодаря ка­кому из процессов — выполнению работы или теплопередаче — состоялось нагревание газа.

Внутренняя энергия является однозначной функцией состоя­ния тела. Ее изменение обу­словлено переходом тела из одного состояния в другое за счет выполнения работы и теп­лопередачи.

Если система сама выполняет работу вследствие теплопередачи, то первый закон термодинамики приобретает другой вид: Материал с сайта http://worldof.school

Q = ΔU + pΔV.

Количество теплоты, предоставлен­ное термодинамической системе, ведет к изменению ее внутренней энергии или выполнению ею работы либо того и другого одновременно.

Последняя формулировка важна с точки зрения отрицания возможности создания вечного двигателя:

нельзя создать машину, которая бы неограниченно выполняла работу, не получая энергию извне.

Ведь если коли­чество теплоты Q = 0, то A’ = —ΔU, то есть работа выполняется за счет уменьшения внут­ренней энергии, которая не безгранична.

Еще в 1775 году Французская академия наук приняла реше­ние не рассматривать проекты вечных двигателей.

На этой странице материал по темам:

• Доклад закон джоуля -ленца

• Выберите формулировки первого закона термодинамики:

• Опыт джоуля термодинамика

• Первый закон термодинамики шпаргалки

• Эксперимент дж. джоуля (1843).

Вопросы по этому материалу:

• В чем состоит сущность опытов Дж. Джоуля?

• Каким фундаментальным законом природы является первый за­кон термодинамики?

• Сформулируйте первый за­кон термодинамики.

• Какое важное следствие вытекает из первого закона термодинамики?