Первый закон термодинамики. Просто!

В данной статье мы разберемся с первым законом термодинамики. Объясним на простых и понятных примерах, как работает первый закон термодинамики.

Первый закон термодинамики является базовым. Его еще называют первым началом термодинамики. Правильное его понимание позволяет решать множество задач.

Первый закон термодинамики гласит:
Изменение внутренней энергии системы происходит за счет работы и теплоты, переданной системы.
Формулу первого закона термодинамики в большинстве источников записывают так:
ΔU = A + Q
, где ΔU — изменение внутренней энергии.
А — работа
Q – теплота

Данная формулировка для многих не совсем понятна, поэтому давайте рассмотрим более простой для восприятия вариант первого закона термодинамики.
По сути, тот же самый закон можно записать:
Q = ΔU  +  A
Сам закон в данном случае будет гласить:
Если мы подводим к телу теплоту, то она может тратиться на изменение его внутренней энергии(нагрев) и на совершение работы данным телом(за счет изменения его объема).

Эта самая простая формулировка для восприятия, на наш взгляд.

Чтобы стало еще понятнее, рассмотрим данный закон на простом примере.

У нас есть обычная пустая банка, закрытая пластиковой крышкой.
Если мы подведем к банке тепло, то она начнет нагреваться. В тоже время воздух находящийся в ней при нагревании начнет расширяться и откроет крышку, совершив при этом работу.

Первый закон термодинамики на простом примере

Таким образом, то тепло, которое мы подвели к банке, потратиться на изменение её внутренней энергии (банка и воздух в ней нагреются) и совершение работы (откроется крышка).

Как видите, понять первый закон термодинамики достаточно несложно. Если основной физический смысл в том, что энергия не берется из ниоткуда и не исчезает в никуда. Именно поэтому не существует и не может существовать вечного двигателя. Такого двигателя, который смог совершать работу постоянно, не черпая при этом энергию извне.

Для правильного интуитивного восприятия давайте рассмотрим еще одну интересную аналогию.


Возьмем вас, как тело, совершающее работу, в виде какого-либо физического труда.
Когда вы совершаете работу, вы расходуете внутреннюю энергию и при этом согреваетесь (повышается температура вашего тела).
То и для вас применима формула ΔU = A + Q,
То есть, за счет того, что вы тратите энергию, которую получили из пищи, вы двигаетесь, совершая работу, и при этом вы также согреваетесь и отдаете тепло своего тела окружающей среде.

Интересный случай первого закона термодинамики — работа холодильника.

Первый закон термодинамики и холодильник

Ранее, рассматривая ситуацию с нагреванием банки, мы затрагивали совершение работы при расширении газа. Интересно, что, если за счет нагрева газ расширяется и совершает работу, то совершив работу по сжатию газа, мы получим обратную реакцию — охлаждение.
Цикл работы холодильника таков. По замкнутой системе циркулирует хладагент (специальный газ), циркуляция и давление для сжатия обеспечивается за счет работы компрессора. В месте, где нам нужно получить охлаждение меняется диаметр трубок, по которым циркулирует газ. За счет того, что газ расширяется, не совершая при этом работы, он забирает тепло из пространства внутри холодильника и далее переносит это тепло в окружающую среду. Отдав тепло окружающей среде, он снова сжимается компрессором, гонится по кругу и цикл повторяется.

Работа двигателя внутреннего сгорания автомобиля также описывается первым законом термодинамики. За счет сгорания топлива в цилиндрах, совершается работа по перемещению поршней и движение автомобиля в конечном итоге.

Первый закон термодинамики и двигатель внутреннего сгорания

Также, при работе двигатель нагревается, отдавая тепло окружающей среде. К слову сказать, основная задача многих конструкторов сократить тепловые потери, тем самым увеличив так называемый коэффициент полезного действия. На нем мы подробно останавливаться не будем и оставим тему КПД для будущих статей.

Подводя итог, хочется сказать о важности знания и понимания первого начала термодинамики.
Именно первый закон термодинамики является основополагающим в решение многих задач физики.
Очень надеемся, что данный материал оказался для вас интересным и полезным.
Пишите свои вопросы в комментариях, если они у вас остались.
И удачи в учебе!


Если материал был полезен, отблагорить наш сайт вы можете, сделав пожертвование.
Любую сумму на развитие проекта вы можете пожертвовать на данной странице.