Сущность первого закона термодинамики. Невозможность осуществления вечного двигателя первого рода.

Первый закон термодинамики это закон сохранения и превращения энергии в ТД процессах. Пусть ТС получает извне количество теплоты dQ, вследствие чего собственная энергия ТС увеличивается на величину dE, при этом система, преодолевая сопротивление внешних сил, может совершить работу dL_вн. Т.к. увеличение собственной энергии и совершение внешней работы происходит за счёт сообщённой системе теплоты dQ, то на основании закона сохранения энергии должно существовать равенство:

, Дж.

Данное уравнение представляет собой общую математическую формулировку первого закона ТД.

Рассмотрим подробно возможные затраты тепла, воспринятого системой, в любом произвольном термодинамическом процессе в самом общем случае. Тепло, воспринятое ТРТ, может пойти:

1. На изменение движения молекул тела и, соответственно, внутренней кинетической энергии U_кин.

2. На изменение расстояния между положениями равновесия молекул. Т.к. между молекулами веществ (в т.ч. газов) действуют силы взаимного притяжения, то увеличение расстояния между их средними положениями связано с производством некоторой работы (работа дисгрегации или разъединения), идущей на изменение внутренней потенциальной энергии тела U_пот.

3. На изменение видимого движения ТРТ и перемещения его центра инерции над некоторым условным уровнем, т.е. на изменение собственной внешней кинетической и внешней потенциальной энергии тела. Подсчёт этих энергий проводится по обычным соотношениям механики: кинетическая энергия – , потенциальная – .

4. На совершение внешней механической работы L_вн.

Из приведённого анализа возможных затрат тепла следует, что в общем случае всё количество теплоты dQ, сообщаемой рабочему телу в произвольном ТД процессе, не эквивалентно произведённой работе Lвн по преодолению внешних сил сопротивления, т.е. . С точки зрения принципа сохранения и превращения энергии разность между dQ и dLвн представляет собой изменение собственной энергии ТРТ , откуда .

Собственная энергия ТС может состоять из различных видов энергии (внутренней кинетической, внутренней потенциальной, электромагнитной, ядерной, химической, внешней потенциальной и кинетической и т.д.). Для упрощения полагаем, что собственная энергия состоит из двух составляющих:

1. Внутренняя энергия тела (U_кин и U_пот):

.

2. Внешняя энергия тела:

.

Следовательно, при принятых упрощениях о составляющих собственной энергии тела в самом общем случае ТД процесса при сообщении рабочему телу извне некоторого количества тепла dQ согласно балансу энергий может быть получено следующее уравнение:

Это уравнение является основным уравнением первого закона ТД и представляет собой частную форму закона сохранения и превращения энергии. Первый закон ТД позволяет сбалансировать все энергетические факторы, участвующие в произвольном ТД процессе. Применим это уравнение к изолированной системе, т.е. положим, что все превращения энергии происходят внутри системы, и она не получает извне энергии – источники тепла и аккумулятор работы находятся внутри системы:

Таким образом, применительно к изолированной системе первый закон ТД можно сформулировать в виде следующего положения: какие бы изменения в изолированной системе ни происходили, полный запас энергии в ней не изменяется. Сумма всех изменений энергии в изолированной системе равна 0.

Уравнения первого закона ТД показывают, что совершение работы dL_вн всегда сопровождается затратами других видов энергии. Следовательно, основное уравнение первого закона ТД показывает, что невозможно построить машину, единственным результатом действия которой являлось бы только производство или только уничтожение какого-либо вида энергии – вечного двигателя первого рода.