Энергия не возникает и не исчезает, но может переходить из одной формы в другую. Эта фраза соответствует сути первого закона термодинамики.
Но эта формулировка слишком общая: она отражает суть фундаментального закона, относящегося ко всем явлениям природы. В разных областях науки есть свои, специфические формулировки закона сохранения, по-разному выраженные на языке формул.
Закон сохранения энергии открывали разные ученые, в разных областях естествознания: в механике, термодинамике, электродинамике, гидродинамике и так далее. В термодинамике закон сохранения открывали четырежды, и существует четыре разных формулировки, отражающих общую суть.
Наиболее простая и понятная формулировка первого закона термодинамики:
Количество теплоты, переданное системе, расходуется на изменение внутренней энергии системы и на работу, совершаемую системой.
Отметим, что данная формулировка относится именно к термодинамическим системам. В других науках тепловой баланс рассматривается под другим углом. Например, в химии теплота, поглощаемая или выделяемая, сопровождает химические реакции; закон сохранения энергии сформулирован в химии на языке химических терминов.
Термодинамические системы
Термодинамика – это область науки, возникшая в эпоху паровых двигателей. Сфера исследований – преобразование теплоты в работу. Задачей термодинамики с момента ее возникновения является эффективное преобразование тепловой энергии в механическую. Для решения этой задачи ученными созданы модели – термодинамические системы.
Математическое выражение первого закона термодинамики
Для термодинамических расчетов создан математический аппарат, система обозначений, формул, расчетов.
Вот некоторые обозначения, принятые в термодинамике:
- Q – количество теплоты;
- DU – изменение внутренней энергии;
- A – работа.
Формула, математически выражающая первое начало термодинамики:
Q = DU + A
Простая формула. Но все ли в ней понятно? Как применить ее на практике?
Работа, теплота, внутренняя энергия: в чем разница?
Работу можно вычислить. Например, перемещение поршня, направленное против внешней силы, умножить на значение силы.
А как измерить теплоту? Как измерить внутреннюю энергию? И чем отличается внутренняя энергия от теплоты?
В термодинамике под внутренней энергией понимают сумму энергий отдельных молекул. Это упрощенная формулировка, и в рамках термодинамики оценить абсолютное значение внутренней энергии нельзя.
Не потому, что полную энергию системы молекул вообще нельзя оценить. Просто для этого нужно выйти за рамки термодинамики, и даже за рамки классической физики.
Итак, абсолютное значение внутренней энергии нам неизвестно, но его изменение можно оценить.
Под действием теплоты система нагрелась – ее внутренняя энергия возросла. Газ расширился, переместил поршень – совершена работа, внутренняя энергия уменьшилась, об этом можно судить по уменьшению температуры.
В рамках термодинамики есть способы подсчета изменения внутренней энергии.
Чем отличается теплота от внутренней энергии? Ведь чем газ теплее, тем внутренняя энергия больше? Действительно, деление условно. Теплота может перейти от нагретого тела к холодному; при этом горячий объект теряет и теплоту, и внутреннюю энергию, а холодный воспринимает теплоту и повышает внутреннюю энергию. Для каждого тела можно записать:
Q = DU
Для остывающего тела обе величины отрицательны, для нагреваемого – положительны. В чем же разница между теплотой и внутренней энергией? В точке зрения, в способе построения модели.
В термодинамических системах теплота рассматривается как внешний фактор, воздействующий на внутреннюю энергию системы.
Для трех величин, входящих в формулу первого закона термодинамики, используются одинаковые единицы измерения. Теплота, работа, изменение внутренней энергии оцениваются в Джоулях и производных от этой величины: Дж, кДж, МДж и т. д.
Вечный двигатель невозможен: следствие Первого начала термодинамики
Двигатель совершает работу, получая энергию извне или уменьшая свою внутреннюю энергию. Иными словами, если нет источника энергии, работа не совершается.