Първи принцип на термодинамиката

Страницата е създадена на:19 октомври 2018 и редактирана на:29 юли 2019

От гледна точка на статистическия подход една термодинамична система се състои от градивни частици, които извършват непрекъснато хаотично движение, което наричаме топлинно движение. Следователно градивните частици притежават кинетична енергия. Освен това, градивните частици взаимодействуват помежду си със сили, които са консервативни и следователно притежават и потенциална енергия. Разгледана като механична система от огромен брой движещи се и взаимодействащи частици, термодинамичната система притежава пълна механична енергия, равна на сумата от кинетичните и потенциалните енергии на всички частици, от които се състои. Когато системата като цяло, както и всички нейни макроскопични части, са неподвижни, пълната механична енергия на градивните частици се нарича вътрешна енергия на термодинамичната система.

Вътрешната енергия е функция на термодинамичното състояние на системата, т.е. всеки път когато една система е в едно и също състояние и параметрите й имат точно определени стойности, и вътрешната енергия има една и съща стойност. Следователно, вътрешната енергия се явява и функция от параметрите, които еднозначно определят състоянието на системата и се променя при термодинамичните процеси, при които се променят тези параметри.

Една термодинамична система взаимодейства с външни тела по два съществено различни начина:

От една страна, ако макроскопичните тела, от които е заобиколена системата, действат със сили върху нея и ако отделни части на системата се преместват под действие на тези сили, външните сили извършват работа.

От друга страна, ако всички части на системата остават неподвижни, по границата, където системата и заобикалящите я тела се допират, има микроскопичното взаимодействие между градивните частици на околните тела и градивните частици на системата. Когато, например, средната кинетична енергия на топлинното движение на частиците на външно тяло е по-голяма отколкото на близките до тях частици на системата, при непрекъснатите удари между частиците енергията на частиците на външното тяло се предава на частиците на системата - енергията на частиците на външното тяло намалява, докато енергията на частиците от системата точно с толкова се увеличава. Това предаване на енергия между тела поради микроскопичното взаимодействие на градивните им частици се нарича топлообмен. Изменението на енергията на системата предизвикано от топлообмен се нарича количество топлина.

При извършване на работа върху системата, а също и при топлообмен, се променя вътрешната енергия. Първият принцип на термодинамиката гласи, че

изменението на вътрешната енергия Δ U на една термодинамична система е равно на сумата от работата на външните сили `A'`, действащи върху системата и количеството топлина Q , получено чрез топлообмен с околната среда:

`Delta U = A' + Q`.

Изменение на вътрешната енергия се нарича разликата: Δ U = U 2 U 1 , където U 1 е вътрешната енергия в началото, а U 2 - вътрешната енергия в края на процеса.

`A'` е работата, която външните тела извършват върху системата. Тази работа е противоположна по знак на работата `A`, която системата извършва, т.е. `A' = - A`. Ако сега заместим `A'` с `A` можем да представим първия принцип на термодинамиката във вида:

`Q = Delta U + A`,

което означава, че полученото от термодинамичната система количество топлина Q отива за изменение на вътрешната енергия на системата Δ U и за извършване на работа A от системата.

Ако една система извършва кръгов термодинамичен процес или цикъл, при който излиза от едно начално състояние с вътрешна енергия U 1 , преминава през други състояния и достига отново до същото начално състояние, вътрешната енергия в края на процеса U 2 съвпада с енергията в началото: U 2 = U 1 . Следователно, при кръгов процес Δ U = U 2 - U 1 = 0 и получаваме:

Q = A ,

което показва, че системата извършва механична работа, равна на количеството топлина, което обменя с околната среда.

Техническите устройства, предназначени да превръщат топлината в механична работа, чрез повтаряне на кръгов термодинамичен процес, се наричат топлинни двигатели или топлинни машини. Дълго време хората са мечтали за създаване на вечен двигател (перпетум мобиле) от първи род - машина, която може безкрайно дълго да извършва работа без да се захранва с енергия. Както виждаме от последното равенство, което се получи от първия принцип на термодинамиката, вечен двигател от първи род не е възможен - за извършване на работа трябва енергия, която се получава чрез топлообмен или друг физичен процес.

 

Направено с MyCMS. Copyright CC BY-ND 4.0.