Фізика. Рівень стандарту. 10 клас. Сиротюк

§ 40. Перший закон термодинаміки

Проаналізувавши механізм виникнення і зміни внутрішньої енергії тіла, зробили висновок, що це відбувається у процесі теплообміну чи виконання роботи. Причому обидва ці процеси можуть відбуватись і одночасно. Тобто внутрішню енергію системи можна змінити двома способами.

Наприклад, газ у циліндрі під поршнем може нагріватися за рахунок передачі йому певної кількості теплоти, й одночасно виконуватиметься робота для його розширення і стискання. Ще в 1842 р. німецький природодослідник Роберт Майер (1814-1878) теоретично, а згодом англійський фізик Джеймс-Прескотт Джоуль (1818-1889) у 1843 р. експериментально довели еквівалентність кількості теплоти і роботи як міри внутрішньої енергії. Ці теоретичні й практичні досліди дали змогу сформулювати закон збереження і перетворення енергії в усіх процесах, які відбуваються у природі: енергія не виникає і не зникає, а лише перетворюється в рівних кількостях з одного виду в інший.

Відповідно до закону збереження і перетворення енергії зміна внутрішньої енергії системи ΔU дорівнює сумі наданої їй кількості теплоти Q і роботи А', виконаної над системою зовнішніми силами: ΔU = Q + А'.

Це твердження прийнято називати першим законом (началом) термодинаміки. У формулі під А' розуміють роботу, яка виконується над системою зовнішніми силами (її вважають додатною величиною). Але можна розглядати і роботу А, виконану системою над зовнішніми тілами. Тоді її записують зі знаком «-», і рівняння набуває вигляду:

ΔU = Q - А, або Q = ΔU + А.

Цей вираз також є першим законом термодинаміки, але в іншому вигляді. Він показує, що підведена до системи кількість теплоти Q частково йде на збільшення її внутрішньої енергії ΔU і частково — на виконання системою роботи А над зовнішніми тілами.

Кожне тіло, незважаючи на його стан, має певну внутрішню енергію, але воно не може мати певну кількість теплоти чи роботи. Так, газ може нагрітися за рахунок надання йому певної кількості теплоти або внаслідок виконання зовнішніми силами роботи (наприклад, стискання газу). Проте не можна однозначно відповісти, завдяки якому з процесів - виконанню роботи чи теплообміну - відбулося нагрівання газу.

Якщо система сама виконує роботу внаслідок теплообміну, то перший закон термодинаміки набуває іншого вигляду: Q = ΔU + pΔV, тобто кількість теплоти, надана термодинамічній системі, приводить до зміни її внутрішньої енергії або виконання нею роботи чи обох чинників одночасно.

Останнє приведене формулювання заперечує створення вічного двигуна: не можна створити машину, яка б необмежено виконувала роботу, не отримуючи енергію іззовні. Адже якщо кількість теплоти Q = 0, то А = -ΔU, тобто робота виконується за рахунок зменшення внутрішньої енергії, яка не є безмежною.

ЧИ ЗНАЄТЕ ВИ ЩО...

• Просте формулювання першого закону термодинаміки може звучати так: зміна внутрішньої енергії тієї чи іншої системи можлива лише при зовнішньому впливі. Тобто, щоб у системі відбулися якісь зміни, потрібно докласти певних зусиль ззовні. Своєрідним виразом закону термодинаміки можуть бути прислів’я: «під лежачий камінь вода не тече», «без праці не витягнеш рибку зі ставка» тощо. Можна уявити, що рибка і є умовно закрита система, у ній не відбудеться ніяких змін (рибка сама себе не витягне зі ставка) без зовнішнього впливу та участі (праці).

• Саме перший закон термодинаміки встановлює, чому зазнали невдачі всі численні спроби вчених, дослідників, винахідників винайти «вічний двигун», адже його існування є абсолютно неможливим згідно із цим самим законом.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

• 1. Яким фундаментальним законом природи є перший закон термодинаміки? Сформулюйте його.
• 2. Який важливий наслідок випливає з першого закону термодинаміки?