Первый закон термодинамики

СОДЕРЖАНИЕ:
ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………..3
1. Первый закон термодинамики: понятие, формула…………………………...5
2. Применение первого закона термодинамики к различным процессам……..7
ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………….12
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ……………………………..13

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность выбранной темы заключается в нижеописанных аспектах.
Первый закон термодинамики, как и закон сохранения энергии в механике, часто дает возможность исследовать тепловые процессы в макроскопических системах даже в тех случаях, когда нам не известны детали микроскопической картины изучаемых явлений.
Первый закон универсален, он применим ко всем без исключения тепловым процессам в любых системах. Как и всякий закон сохранения, он не дает детальной информации о ходе процесса, но позволяет составить уравнение баланса, если заранее известно, какие энергетические превращения происходят в рассматриваемой системе.
В основе теплофизики лежат два закона: первый и второй законы термодинамики.
Первый закон термодинамики вытекает из обобщения многолетнего опыта человечества. Выдвинутые Ломоносовым идеи о законе сохранении материи и движения получили развитие в работах Ю.Л.Майера, Г.Ф. Гельмгольца и Дж. Джоуля в 1843 году, в которых экспериментально было установлено, что теплота и работа являются эквивалентными энергетическими эффектами и связаны с изменением внутренней энергии системы.
Первый закон термодинамики связан с законом сохранения и превращения энергии для термодинамической системы и устанавливает эквивалентность различных ее форм.
Согласно первому началу (первому закону) термодинамики, работа может совершаться только благодаря теплоте или какой-либо другой форме энергии. Следовательно, работу и количество теплоты измеряют в одних единицах - джоулях (как и энергию).
Формулу первого закона термодинамики можно записать таким образом: Q = ΔU + A. Количество теплоты Q, передаваемое системе равно сумме изменения ее внутренней энергии ΔU и работы A.
Именно первый закон термодинамики устанавливает, почему потерпели неудачу многочисленные попытки ученых, исследователей, изобретателей изобрести «вечный двигатель», так как его существование абсолютно невозможно согласно этому самому закону.
Таким образом, в первый закон термодинамики актуален и по сегодняшний день. Отсюда, цель данной работы: проанализировать первый закон термодинамики. Для достижения цели в работе поставлены следующие задачи:
1) рассмотреть первый закон термодинамики: понятие, формулу;
2) охарактеризовать применение первого закона термодинамики к различным процессам.
Для решения поставленных задач в работе использованы следующие методы исследования:
1)теоретический анализ литературы;
2)изучение и обобщение информации.
Реферат включает: введение, две главы, заключение. Во введении показана идея (цель) работы. В главах рассмотрены вопросы. В заключении сформулированы основные выводы.
1. Первый закон термодинамики: понятие, формула
Исходя из того, что речь пойдет о частном случае закона сохранения энергии, в академической науке существует четыре формулировки сути данного закона:
- Энергия ни откуда не появляется и ни куда не пропадает, она лишь переходит из одного вида в другой (закон сохранения энергии).
- Количество теплоты, полученной системой, идет на совершение ее работы против внешних сил и изменение внутренней энергии.
- Изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданной системе, и не зависит от способа, которым осуществляется этот переход.
- Изменение внутренней энергии неизолированной термодинамической системы равно разности между количеством теплоты, переданной системе, и работой, совершенной системой над внешними силами.
Простая формулировка первого закона термодинамики может звучать примерно так: изменение внутренней энергии той или иной системы возможно исключительно при внешнем воздействии. То есть другими словами, чтобы в системе произошли какие-то изменения необходимо приложить определенные усилия извне. В народной мудрости своеобразным выражением первого закона термодинамики могут служить пословицы – «под лежачий камень вода не течет», «без труда не вытащишь рыбку из пруда» и прочая. То есть на примере пословицы про рыбку и труд, можно представить, что рыбка и есть условно закрытая система, в ней не произойдет никаких изменений (рыбка сама себя не вытащит из пруда) без внешнего воздействия и участия (труда).
На рисунке 1 условно изображены энергетические потоки между выделенной термодинамической системой и окружающими телами. Величина Q > 0, если тепловой поток направлен в сторону термодинамической системы. Величина A > 0, если система совершает положительную работу над окружающими телами.
Рисунок 1. Обмен энергией между термодинамической системой и окружающими телами в результате теплообмена и совершаемой работы
Если система обменивается теплом с окружающими телами и совершает работу (положительную или отрицательную), то изменяется состояние системы, т. е. изменяются ее макроскопические параметры (температура, давление, объем). Так как внутренняя энергия U однозначно определяется макроскопическими параметрами, характеризующими состояние системы, то отсюда следует, что процессы теплообмена и совершения работы сопровождаются изменением ΔUвнутренней энергии системы.
Первый закон термодинамики – это обобщение закона сохранения и превращения энергии для термодинамической системы. Он формулируется следующим образом:
Изменение ΔU внутренней энергии неизолированной термодинамической системы равно разности между количеством теплоты Q, переданной системе, и работой A, совершенной системой над внешними телами: ΔU = Q – A.
Соотношение, выражающее первый закон термодинамики, часто записывают в другой форме: Q = ΔU + A.
Количество теплоты, полученное системой, идет на изменение ее внутренней энергии и совершение работы над внешними телами.
Первый закон термодинамики является обобщением опытных фактов согласно которому, энергия не может быть создана или уничтожена; она передается от одной системы к другой и превращается из одной формы в другую. Важным следствием первого закона термодинамики является утверждение о невозможности создания машины, способной совершать полезную работу без потребления энергии извне и без каких-либо изменений внутри самой машины. Такая гипотетическая машина названа:  вечный двигатель (perpetuum mobile) первого рода. Многочисленные попытки создать такую машину неизменно заканчивались провалом. Любая машина может совершать положительную работу A над внешними телами только за счет получения некоторого количества теплоты Q от окружающих тел или уменьшения ΔU своей внутренней энергии.
2. Применение первого закона термодинамики к различным процессам
Целесообразно рассмотреть  применение первого закона термодинамики к различным термодинамическим процессам.
Итак, первый закон термодинамики к изопроцессам в газах.
1.       В изохорном процессе (V = const) газ работы не совершает, A = 0.
Следовательно, Q = ΔU = U (T2) – U (T1). Здесь U (T1) и U (T2) – внутренние энергии газа в начальном и конечном состояниях. Внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры (закон Джоуля). При изохорном нагревании тепло поглощается газом (Q > 0), и его внутренняя энергия увеличивается. При охлаждении тепло отдается внешним телам (Q < 0).
2.   В изобарном процессе (p = const) работа, совершаемая газом, выражается соотношением: A = p (V2 – V1) = p ΔV.
Первый закон термодинамики для изобарного процесса дает: Q = U (T2) – U (T1) + p (V2 – V1) = ΔU + p Δ.
При изобарном расширении Q > 0 – тепло поглощается газом, и газ совершает положительную работу. При изобарном сжатии Q < 0 – тепло отдается внешним телам. В этом случае A < 0. Температура газа при изобарном сжатии уменьшается, T2 < T1; внутренняя энергия убывает, ΔU < 0.
3.   В изотермическом процессе температура газа не изменяется, следовательно, не изменяется и внутренняя энергия газа, ΔU = 0.
Первый закон термодинамики для изотермического процесса выражается соотношением: Q = A. Количество теплоты Q, полученной газом в процессе изотермического расширения, превращается в работу над внешними телами. При изотермическом сжатии работа внешних сил, произведенная над газом, превращается в тепло, которое передается окружающим телам.
Вместе с изохорным, изобарным и изотермическим процессами в термодинамике часто рассматриваются процессы, протекающие в отсутствии теплообмена с окружающими телами. Сосуды с теплонепроницаемыми стенками называются адиабатическими оболочками, а процессы расширения или сжатия газа в таких сосудах называются адиабатическими. Адиабатический процесс (адиабатный процесс) - это термодинамический процесс, происходящий в системе без теплообмена с окружающей средой, Q = 0. Первый закон термодинамики принимает вид: A = –ΔU, т. е. газ совершает работу за счет убыли его внутренней энергии.
На плоскости (p, V) процесс адиабатического расширения (или сжатия) газа изображается кривой, которая называется адиабатой. При адиабатическом расширении газ совершает положительную работу (A > 0); поэтому его внутренняя энергия уменьшается (ΔU < 0). Это приводит к понижению температуры газа. Вследствие этого давление газа при адиабатическом расширении убывает быстрее, чем при изотермическом (рис. 2).
Рисунок 2. Семейства изотерм (красные кривые) и адиабат (синие кривые) идеального газа
В термодинамике выводится уравнение адиабатического процесса для идеального газа. В координатах (p, V) это уравнение имеет вид: pVγ = const.
Это соотношение называют уравнением Пуассона. Здесь γ = Cp / CV – показатель адиабаты, Cp и CV – теплоемкости газа в процессах с постоянным давлением и с постоянным объемом. Для одноатомного газа
для двухатомного
для многоатомного
Работа газа в адиабатическом процессе просто выражается через температуры T1 и T2 начального и конечного состояний: A = CV (T2 – T1).
Адиабатический процесс также можно отнести к изопроцессам. В термодинамике важную роль играет физическая величина, называемая энтропией. Изменение энтропии в каком-либо квазистатическом процессе равно приведенному теплу ΔQ / T, полученному системой. Так как на любом участке адиабатического процесса ΔQ = 0, то энтропия в этом процессе остается неизменной.
Адиабатический процесс (как и другие изопроцессы) – процесс квазистатический. Все промежуточные состояния газа в этом процессе близки к состояниям термодинамического равновесия. Любая точка на адиабате описывает равновесное состояние.
Не всякий процесс, проведенный в адиабатической оболочке, т. е. без теплообмена с окружающими телами, удовлетворяет этому условию. Примером не квазистатического процесса, в котором промежуточные состояния неравновесны является расширение газа в пустоту. На рисунке 3 изображена жесткая адиабатическая оболочка, состоящая из двух сообщающихся сосудов, разделенных вентилем K. В первоначальном состоянии газ заполняет один из сосудов, а в другом сосуде – вакуум. После открытия вентиля газ расширяется, заполняет оба сосуда, и устанавливается новое равновесное состояние. В этом процессе Q = 0, так как нет теплообмена с окружающими телами, и A = 0, так как оболочка недеформируема. Из первого закона термодинамики следует: ΔU = 0, т. е. внутренняя энергия газа осталась неизменной. Так как внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры, температура газа в начальном и конечном состояниях одинакова – точки на плоскости (p, V), изображающие эти состояния, лежат на одной изотерме. Все промежуточные состояния газа неравновесны и их нельзя изобразить на диаграмме.
Расширение газа в пустоту – пример необратимого процесса. Его нельзя провести в противоположном направлении.
Рисунок 3. Расширение газа в пустоту
Таким образом, первый закон термодинамики применяется к различным термодинамическим процессам: изохорному, изобарному, изотермическому, а также в адиабатическому (в отсутствии теплообмена с окружающими телами).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В заключение необходимо отметить, что первый закон термодинамики имеет практическое применение к различным процессам в физике, например, позволяет вычислить идеальные параметры газа при разнообразных тепловых и механических процессах: изохорном, изобарном, изотермическом, а также в адиабатическом. Помимо сугубо практичного применение можно этому закону найти применение и философское: первый закон термодинамики является выражением одного из самых общих законов природы – закона сохранения энергии. Еще Еклезиаст писал, что «ничто ни откуда не появляется и никуда не уходит, все пребывает вечно, постоянно трансформируясь, в этом и кроется вся суть первого закона термодинамики».
Первый закон термодинамики - это частный случай закона сохранения энергии, главного закона природы. Он показывает, от каких причин зависит изменение внутренней энергии: изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданной системе. Работа и количество теплоты - характеристики процесса изменения внутренней энергии.
Таким образом, цель данной работы достигнута: проанализирован первый закон термодинамики с помощью следующих задач:
1) рассмотрен первый закон термодинамики: понятие, формула;
2) охарактеризовано применение первого закона термодинамики к различным процессам.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ:
Дурина Т.А. Физико-химические основы литейного производства: Учеб. пособие. – Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2009. - 138 с.
Савельев И. В. Глава 3. Работа и энергия // Курс общей физики. Механика. - 4-е изд. - М.: Наука, 1970. - С. 89-99. 
 Савельев И. В. Глава 9. Колебательное движение // Курс общей физики. Механика. - 4-е изд. - М.: Наука, 1970. - С. 234-235.
Открытая Физика. Первый закон термодинамики// HYPERLINK "https://physics.ru/" \t "_blank" physics.ru›
Учебник›.