Термодинамика – это раздел физики, изучающий изменения и превращения внутренней энергии различных систем и способы, с помощью которых она может использоваться в жизни человека. Описывает его первый закон термодинамики, который еще называется первым началом термодинамики.
Содержание
Определение
Для понимания данного физического закона следует сначала разобраться в том, что такое энергия тел. В физике под этим термином подразумевается движение и взаимодействие частиц, из которых состоит тело, в ходе которого вырабатывается данная энергия. Когда вы разберетесь с этим важнейшим понятием теоретической физики, после этого сформулируйте первое начало термодинамики самостоятельно, выбрав наиболее удобное для вас определение данного явления.
Известно, как можно изменить энергию тела с помощью его температуры. Поменять этот параметр любого физического тела можно двумя способами:
- при совершении работы самим телом, или внешними силами, совершающими над ним определенные действия;
- при теплообмене, когда передача энергии осуществляется без совершения работы путем энергоотдачи одним телом другому.
Первый закон термодинамики в обобщенном виде описывает принцип сохранения и превращения энергии в термодинамических системах. В академических учебниках физики существует четыре варианта его формулировки.
Вот как формулируется первый закон термодинамики:
- энергия не появляется из ничего и никуда не пропадает, а только преобразуется из одного вида в другой;
- теплота, которую вырабатывает открытая система, используется в процессе совершаемой ей работой против воздействующих факторов внешней среды и изменения состояния внутренней энергии;
- когда внутренняя энергия открытой системы переходит из одного состояния в другое, происходящие изменения равны сумме количества выделенного тепла и выполненной работе, способ перехода не влияет на полученный результат;
- изменения внутренней энергии открытой термодинамической системы соответствуют результату, который получается при вычитании количества выработанной теплоты из результата совершенной работы, которая совершается системой в отношении внешних сил.
Формула
В математическом виде первое начало термодинамики описывается формулой ΔU = Q – A., в которой:
- Q – количество выработанного системой тепла, которое используется для изменения внутренней энергии;
- U – внутренняя энергия тела;
- A – совершаемая телом против внешних сил работа.
Также можно записать с помощью сложения размера внутренней энергии тела и совершенной работы первый закон термодинамики, формула в этом случае будет иметь следующий вид: Q = ΔU + A
С помощью первого начала термодинамики обобщаются результаты физических опытов. Данный закон показывает, что энергия тела не создается и не уничтожается. Она переходит из одной форму в другую, передаваясь одной системой другой.
Какие физические процессы описывает
Основной закон термодинамики позволяет понять, почему нельзя создать вечный двигатель, который был бы способен производить полезную работу без получения энергии извне и без внутренних изменений такого устройства. Для любой машины при совершении работы требуется тепло, полученное от других тел, или в результате изменения ее внутренней энергии.
В качестве тела может выступать любое вещество в жидком, газообразном или твердом агрегатном состоянии. Обычно для расчетов используется понятие идеального одноатомного газа, а первый закон термодинамики, формулировка которого зависит от типа происходящего изопроцесса, может записываться разными формулами:
- в изотермическом с воздействием постоянной температуры, в ходе которого количество газа не меняется, в внутренняя энергия остается постоянной величиной — Q= Aг, так как ΔU = 0;
- в изохорном, где сохраняется постоянный объем газа, что означает отсутствие выполняемой работы самим газом или над ним — ΔU= Q, так как Аг = 0;
- в изобарном, в котором при постоянном давлении газа меняется его температура и объем — ΔU= Q — Аг;
- адиабатном, где нет теплообмена идеального газа с окружающей средой, — ΔU= —Аг, так как Q = 0.
Где применяется
После того, как в 19 веке в теоретической физике появилось понятие внутренней энергии тела, эта наука вышла на новый уровень своего развития. В разделе термодинамика появились такие понятия, как?
- термодинамическая система;
- энтропия;
- термодинамическое равновесие;
- энтальпия.
Ученые смогли количественным способом измерить внутреннюю энергию и дать ей количественное определение, смогли понять природу тепла как одну из форм энергии материи. Введение новых понятий в теоретическую физику позволило реализовать основополагающий принцип термодинамики в конструировании различных приборов, машин и устройств, сделав возможным появление автомобильных и ракетных двигателей, автомобилей, самолетов и другой современной техники, работа которой невозможна без первого закона термодинамики, определение которого должен не только знать, но и понимать каждый образованный человек.