Первый закон термодинамики. Необратимость тепловых процессов

 1. Способы изменения внутренней энергии

Как уже было ска­за­но на двух преды­ду­щих уро­ках, су­ще­ству­ет два спо­со­ба из­ме­не­ния внут­рен­ней энер­гии тела:

И есте­ствен­ный во­прос, ко­то­рый на­пра­ши­ва­ет­ся, – это как из­ме­нит­ся внут­рен­няя энер­гия тела (в нашем слу­чае газа) при од­но­вре­мен­ном вы­пол­не­нии и ра­бо­ты, и теп­ло­об­ме­на?

 2. Первый закон термодинамики

От­ве­том на этот во­прос и яв­ля­ет­ся пер­вый закон тер­мо­ди­на­ми­ки, ко­то­рый, по сути, яв­ля­ет­ся за­ко­ном со­хра­не­ния энер­гии (теп­ло­вой) в тер­мо­ди­на­ми­че­ских (теп­ло­вых) про­цес­сах.

Рас­смот­рим этот закон:

То есть  - из­ме­не­ние внут­рен­ней энер­гии – это про­стая сумма пе­ре­дан­ной телу теп­ло­ты - и вы­пол­нен­ной над телом внеш­ни­ми си­ла­ми ра­бо­ты -.

Од­на­ко более рас­про­стра­не­на несколь­ко иная фор­му­ли­ров­ка этого за­ко­на, так как тер­мо­ди­на­ми­ка – наука, опи­сы­ва­ю­щая дей­ствия теп­ло­вых машин, а теп­ло­вые ма­ши­ны, в свою оче­редь, ос­но­вы­ва­ют­ся на прин­ци­пе вы­пол­не­ния рас­ши­ря­ю­щим­ся газом неко­то­рой ра­бо­ты (на­при­мер, дви­га­те­ли внут­рен­не­го сго­ра­ния (рис. 1) и т .д.)

Рис. 1. Прин­цип дей­ствия дви­га­те­ля внут­рен­не­го сго­ра­ния

Рас­смот­рим эту фор­му­ли­ров­ку:

Здесь:  - пе­ре­дан­ное пор­ции газа тепло;  - при­рост внут­рен­ней энер­гии газа;  - вы­пол­нен­ная газом ра­бо­та. То есть вся энер­гия, пе­ре­дан­ная газу извне, идёт на уве­ли­че­ние внут­рен­ней энер­гии газа (раз­гон мо­ле­кул газа), и на вы­пол­не­ние газом ме­ха­ни­че­ской ра­бо­ты.

Пер­вый закон тер­мо­ди­на­ми­ки не толь­ко за­да­ёт связь между раз­ны­ми фор­ма­ми энер­гии в тер­мо­ди­на­ми­че­ском про­цес­се, но и опро­вер­га­ет воз­мож­ность су­ще­ство­ва­ния веч­но­го дви­га­те­ля.

 3. Невозможность вечного двигателя

Опре­де­ле­ние. Веч­ный дви­га­тель (рис. 2) – устрой­ство, спо­соб­ное вы­пол­нять ра­бо­ту без по­треб­ле­ния ка­ко­го-ли­бо топ­ли­ва.

По­смот­рим, как с по­мо­щью пер­во­го за­ко­на тер­мо­ди­на­ми­ки опи­сы­ва­ет­ся ра­бо­та веч­но­го дви­га­те­ля: 

То есть энер­гия для вы­пол­не­ния ра­бо­ты бе­рёт­ся из за­па­сов внут­рен­ней энер­гии тела, и по­это­му невоз­мож­но по­сто­ян­ное вы­пол­не­ние такой ра­бо­ты – лишь до мо­мен­та, когда ис­сяк­нет внут­рен­няя энер­гия.

Рис. 2. Раз­лич­ные мо­де­ли «веч­но­го» дви­га­те­ля

Ещё одним во­про­сом, остав­шим­ся нераз­ре­шён­ным, яв­ля­ет­ся на­прав­ле­ние пе­ре­хо­да теп­ло­вой энер­гии, ведь пер­вый закон тер­мо­ди­на­ми­ки ука­зы­ва­ет лишь на со­хра­не­ние зна­че­ния этой энер­гии. Ответ на этот во­прос был впер­вые по­лу­чен немец­ким учё­ным Ру­доль­фом Кла­у­зи­усом в виде вто­ро­го за­ко­на (на­ча­ла) тер­мо­ди­на­ми­ки.

 4. Второй закон термодинамики

Опре­де­ле­ние. Вто­рой закон тер­мо­ди­на­ми­ки: невоз­мож­но пе­ре­дать энер­гию (теп­ло­ту) от менее на­гре­той си­сте­мы к более на­гре­той без од­но­вре­мен­но­го из­ме­не­ния этих двух си­стем или окру­жа­ю­щих тел. То есть можно го­во­рить о необ­ра­ти­мо­сти теп­ло­вых про­цес­сов – нель­зя об­ра­тить их вспять от их есте­ствен­но­го про­те­ка­ния (кроме тех слу­ча­ев, когда об­ра­ти­мый про­цесс яв­ля­ет­ся ча­стью более слож­но­го про­цес­са).

На сле­ду­ю­щем уроке мы при­сту­пим к изу­че­нию непо­сред­ствен­но­го пред­ме­та ин­те­ре­са тер­мо­ди­на­ми­ки – теп­ло­вым дви­га­те­лям и ко­эф­фи­ци­ен­там их по­лез­но­го дей­ствия.