Перший початок термодинаміки - це початок усього сущого

Предметом вивчення термодинаміки є енергія у всіх її проявах і, найголовніше, переходи енергії з одного виду в інший. Так склалося, що сам термін виник на зорі наукових досліджень в області енергії, а на той момент перелік різних видів енергії був ще невеликий - механічна і теплова. Тому, назва «термодинаміка» найбільш точно відображало сутність предмета - рух (передача) і перетворення тепла в механічну роботу і навпаки. Поступово з`явилися поняття, що характеризують теплові процеси: теплота плавлення, теплоємність і, нарешті, одиниця вимірювання кількості тепла - калорія (1772, М.Вільке). Пройде немало часу і буде сформульовано перший початок термодинаміки, але кожен крок був результатом копіткої праці багатьох дослідників.

Для вивчення законів термодинаміки прийняті деякі умовності, що дозволяють виділити досліджуваний предмет і конкретизувати його властивості, що підлягають вивченню. Досліджувані об`єкти представляються замкнутими системами з величезного числа частинок. Якщо в системі можна визначити межі деякого об`єму, то її називають тілом. Ось так і з`явився головний учасник термодинамічної дійства: система частинок, укладена в деякому обсязі - ідеальний газ. У процесі енергетичних перетворень термодинамічна система змінює свій стан, і ці зміни описуються набором понять - параметрів процесу. Якщо в якості параметрів взяти температуру T, обсяг V і тиск P, то їх достатньо для опису будь-якого термодинамічної процесу. Всі системи розглядаються тільки для рівноважних станів. Встановлення рівноваги, наприклад, теплового, - це процес теплопередачі - щось остигає, а щось нагрівається. При цьому кількості «віддав - отримав», як стверджує перший початок термодинаміки, будуть однакові. І ось тут криється головна задача, яку століттями вирішують вчені: пошук учасників енергетичного обміну і визначення їх ролі в процесі.

Основу теоретичного апарату термодинаміки становлять 3 закону. При цьому вважається, що тіло може поглинати енергію, збільшуючи свою внутрішню, (наприклад, при підігріві) та / або за рахунок своєї внутрішньої енергії здійснювати роботу з подолання зовнішніх сил (наприклад, виштовхуючи поршень). Виходячи з цього, перший початок термодинаміки трактується наступним чином: зміна внутрішньої енергії тіла U є сума поглинутої ним енергії Q і енергії зовнішніх сил A. Математично це виражається через нескінченно малі зміни наступним чином:

dU = dQ + dA (1)

Фактично це закон збереження енергії, можна сказати, закон буття.

Особливості термодинамічних процесів зазвичай розглядають на моделі, де робочим тілом беруть ідеальний газ, який можна нагрівати і / або здійснювати над ним механічну роботу зовнішніми силами (стиснення - розширення) за допомогою поршня, а один з параметрів - тиск P, обсяг V або температура T - дорівнює константі. Застосування першого початку термодинаміки до ізопроцессам дозволяє визначити джерела-приймачі енергії для конкретних умов.

Ізохоричний процес означає, що V = const. Наслідком того, що механічна робота відсутній, бо обсяг не змінюється, за рахунок нагріву ізмененяются тільки внутрішня енергія, і тоді: dA = pdV = 0, а значить dU = dQ і визначити її можна із співвідношення:

dQ = (m / M) * CV * dT (2)

Таким чином, ізохорний процес обумовлений приростом температури.

Ізобарний процес передбачає p = const, а ця умова виконується, якщо робоче тіло при нагріванні виконує механічну роботу, наприклад, переміщення поршня. Якщо по черзі застосувати вирази для енергії нагріву і рівняння Менделєєва-Клайперона, то можна легко отримати вираз для обчислення механічної роботи газу:

A = (m / M) * R * (T2 - T1) (3)

R - газова постійна, і означає роботу по збільшенню об`єму газу в кількості один моль, якщо температура зміниться на один градус Кельвіна. Висновок: при изобарном процесі газ поповниться енергією нагріву (2) і витрачає частину збільшеної внутрішньої енергії на розширення (3).

Процес, в якому T = const, в термодинаміки називається ізотермічним. Його суть в тому, що отримана за рахунок нагріву внутрішня енергія повністю витрачається на роботу по преодоленіію зовнішніх сил. Перший початок термодинаміки для ізопроцессов говорить про те, що для збереження постійної температури тіла його внутрішня енергія заповнює витрати на виконання механічної роботи і залежить від зміни тиску. Розрахувати ці енергетичні витрати можна з виразу:

Q = A = (m / M) * R * T * (ln (p1 / p2)).