Закон сохранения и превращения энергии является фундаментальным законом природы, имеющим всеобщий характер. Этот закон гласит: энергия не исчезает и не возникает вновь, она лишь переходит из одного вида в другой в различных физических и химических процессах. Иными словами, для любой изолированной системы (т.е. такой термодинамической системы, которая не обменивается с окружающей средой ни теплотой, ни работой, ни веществом) количество энергии, заключенной в этой системе, сохраняется неизменным. Закон сохранения энергии был давно известен в механике применительно к механической (кинетической и потенциальной) энергии. После того как работами Джоуля и других ученых был установлен принцип эквивалентности теплоты и работы, закон сохранения был распространен на другие виды энергии и в соответствии с его содержанием стал называться законом сохранения и превращения энергии. В настоящее время известны различные виды энергии: энергия теплового движения микрочастиц, составляющих тело; кинетическая энергия всего тела в целом; энергия гравитационного поля (в частности, потенциальная энергия тела, поднятого над землей); энергия электрического поля; магнитного поля; электромагнитного излучения; внутриядерная энергия и др. Закон сохранения и превращения энергии устанавливает однозначную связь между всеми видами энергии в процессе их взаимопревращений. Закон сохранения и превращения энергии носит также название первого закона термодинамики. Следует еще раз подчеркнуть, что первый закон термодинамики имеет всеобщий характер.
В общем случае, когда в результате подвода теплоты к телу температура тела повышается и вследствие увеличения объема тела производится внешняя работа, подведенная к телу теплота расходуется на увеличение внутренней энергии тела U и на совершение работы L. Сказанное может быть выражено уравнением:
где Q(1-2) — теплота, сообщенная телу при нагревании от состояния 1 до состояния 2; ΔU(1-2) — изменение внутренней энергии тела в том же процессе; L(1-2) — работа, совершаемая телом в процессе 1—2. Уравнение представляет собой выражение первого закона термодинамики, являющегося частным случаем более общего закона сохранения энергии.
Является ли функцией процесса внутренняя энергия или же эта величина обладает иными свойствами? Для ответа на этот вопрос нам придется вернуться к рассмотрению опыта Джоуля. Предварительно введем понятие о цикле. Круговым процессом, или циклом, называют такой термодинамический процесс, в результате осуществления которого система возвращается в то же состояние, в котором она находилась к моменту начала этого процесса.
Рассмотрим теперь процессы, которые осуществляются в системе, используемой в опыте Джоуля. Эта система (см. предыдущую статью) состоит из груза 4 с барабаном 5 и из заполненного водой сосуда 1 с мешалкой 2 и лопатками 3. Исходное состояние этой системы к моменту начала опыта таково: груз 4 массой G находится на некоторой высоте z0 (это тот уровень, до которого должен опуститься груз в опыте), а сосуд 1 имеет некоторую исходную температуру t1. Это состояние системы обозначим индексом 1.
Затем груз поднимают на высоту (z0 + z), совершая тем самым работу, и подвешивают к тросу, соединенному с мешалкой. Эта работа подводится к рассматриваемой системе от какого-либо внешнего источника (например, экспериментатор поднимает этот груз своими руками). Состояние, в котором находится система после подъема груза на высоту, обозначим индексом 2.
Что же касается сосуда, то поскольку в процессе 1-2 он не претерпел никаких изменений, очевидно, что t1 = t2. Затем груз, подвешенный к соединенному с мешалкой тросу, вновь опускается на уровень z0, и рассматриваемая нами система приходит в состояние 3. Очевидно, что в процессе 2-3 к системе не подводится и от нее не отводится ни теплота, ни работа, а лишь происходит превращение работы в теплоту внутри системы груз—сосуд. В состоянии 3 груз, как мы видим, находится на том же уровне z0, что и в исходном состоянии 1. Что же касается сосуда, то его состояние отличается от исходного: за счет превращения внутри системы работы в теплоту в процессе 2-3 вода в сосуде, мешалка, лопатки и стенки сосуда нагреты до температуры t3 > t1 . Отсюда очевидно, что для того чтобы привести систему в исходное состояние I, нужно осуществить процесс 3-1— процесс отвода из сосуда 1 теплоты, выделившейся при превращении работы в теплоту в процессе 2-3. После осуществления процесса 3-1 система возвратилась в исходное состояние 1; таким образом, система осуществила замкнутый процесс (цикл) 1-2-3-4. В соответствии с установленным Джоулем принципом эквивалентности теплоты и работы очевидно, что
Таким образом, в отличие от Q и L внутренняя энергия не является функцией процесса. Величина U подобно, например, удельному объему является функцией состояния — ее значение однозначно определяется параметрами системы в данном состоянии.
Спасибо за прочтение материала. В следующий раз материал будет про второй закон термодинамики, который так же необходимо знать для понимания термодинамических ограничений в работе двигателей.
