Первое начало термодинамики и закон сохранения энергии

Рассмотрим произвольную термодинамическую систему. Ее энергию можно изменить двумя способами: совершая над системой работу и подводя к ней теплоту. Например, при сжатии газа поршнем в цилиндре совершается работа, за счет которой повышается температура газа, и таким образом увеличивается внутренняя энергия газа. Другой способ повысить температуру газа и его внутреннюю энергию заключается в сообщении ему теплоты. Теплота — это энергия хаотичного движения молекул, форма проявления внутренней энергии тела. Сообщить теплоту можно, например, за счет обмена внутренними энергиями при контакте тела с другим телом, имеющим отличную температуру.

В результате макроскопическая энергия механического движения может превращаться в микроскопическую энергию теплового движения, и наоборот. При таких превращениях соблюдается закон сохранения энергии. Именно этот закон и выражает применительно к термодинамическим процессам первое начало термодинамики. Будем считать положительными количество теплоты Q, если оно подводится к системе, а работу А — если система совершает се против внешних сил. Тогда в соответствии с законом сохранения энергии изменение внутренней энергии системы равно AU = QА, или.

Это и есть первое начало термодинамики: теплота, сообщаемая системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение ею работы против внешних сил.

Первое начало термодинамики можно записать и в дифференциальной форме:

Из формулы следует, что в системе СИ количес тво теплоты, работа и энергия измеряются в одинаковых единицах — джоулях (Дж).

Первое начало термодинамики постулирует эквивалентность теплоты и работы. Если рассматривать систему, периодически возвращающуюся в первоначальное состояние, например тепловой двигатель, то изменение ее внутренней энергии в цикле AU= 0. Тогда согласно первому началу термодинамики А = Q. Это свидетельствует о невозможности построения вечного двигателя первого рода, такого, работа которого больше, чем сообщенная ему извне энергия. Это еще одна формулировка первого начала термодинамики.