ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ

5.1. ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ И ПРЕВРАЩЕНИЯ ЭНЕРГИИ
Первый закон термодинамики является частным случаем всеобщего закона сохранения и превращения энергии применительно к тепловым явлениям, протекающим в термодинамических системах.
Закон сохранения и превращения энергии гласит, что в изолированной системе сумма всех видов энергии является величиной постоянной.

К концу XVIII в. процесс превращения теплоты в работу был осуществлен, но без всяких теоретических расчетов и обоснований. Общую формулировку закона сохранения и превращения энергии дал великий русский ученый М. В. Ломоносов.
Однако Ломоносов не мог установить эквивалентность различных форм движения материи и дать количественную связь между ними, так как не имел необходимых для этого фактических данных.

А — постоянная величина, называемая тепловым эквивалентом работы. Тепловой эквивалент единицы работы — величина размерная и зависит от системы единиц, выбранных для измерения теплоты и работы. Если теплота и работа выражаются в одних единицах (джоулях), то эквивалент равен единице и тогда
(5.1)
Роберт Майер (1842 г.)

В 1843 г. англичанин Джоуль, а в 1844 г. русский академик Ленц установили соотношение между электрической энергией и теплотой. Доказали эквивалентность электрической работы и теплоты. Этот закон вошел в физику под названием закона Джоуля — Ленца.
В 1847 г. была опубликована работа Гельмгольца «О сохранении силы». В ней научно излагался закон сохранения энергии.
В 1850 г. была опубликована работа Клаузиуса «О движущей силе теплоты», в которой давалось математическое обоснование закона сохранения энергии, разбирались особенности теплоты при идеальных и реальных процессах, объяснялось не только количественное, но и качественное содержание открытого закона.

Таким образом, закон сохранения и превращения энергии, открытый М. В. Ломоносовым, но не получивший широкого развития при его жизни, во второй половине XIX в. получил полное признание.

5.2. ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ
Под внутренней энергией газа понимается вся энергия, заключенная в теле или системе тел:
кинетической энергии молекул, включающей энергию поступательного и вращательного движения молекул;
колебательного движения атомов в самой молекуле;
энергии электронов;
внутриядерной энергии;
энергии взаимодействия между ядром молекулы и электронами;
потенциальной энергии или энергии положения молекул в каком-либо внешнем поле сил;
энергии электромагнитного излучения.

Полную внутреннюю энергию тела принято обозначать U (Дж), а удельную внутреннюю энергию — u(Дж/кг)
(5.2)

Рис. 5.1

(5.3)
Удельная внутренняя энергия идеального газа, в котором отсутствуют силы взаимодействия между молекулами, не зависит от объема или давления
и , а зависит только от температуры

Для приближенных расчетов можно считать, что внутренняя энергия реальных газов при высоких температурах и малых давлениях является функцией только одной температуры.
Это положение в точности справедливо только для идеальных газов
Опыт Джоуля (1845 г.)

5.3. АНАЛИТИЧЕСКОЕ ВЫРАЖЕНИЕ РАБОТЫ ПРОЦЕССА
Передачу энергии от одного тела к другому, связанную с изменением объема рабочего тела, с перемещением его во внешнем пространстве или с изменением его положения, называют работой.
В производстве работы всегда участвуют два тела или больше. Первое тело, производящее работу, отдает энергию, второе тело получает энергию.

(5.4)
(5.5)

(5.6)
(5.7)
Работа системы, в общем случае складывается из удельной работы расширения и работы, совершаемой без изменения объема

Удельная полезная (или, как ее обычно называют, располагаемая) работа равна разности между работой расширения и работой вытеснения

Если v2 > v1 — газ расширяется, тогда Δv > 0 и dv > 0 — работа газа есть величина положительная.
Если v2 < v1 —газ сжимается, тогда Δv < 0 и dv < 0, при этих условиях работа газа величина отрицательная.
Уравнение работы изменения объема с m (кг) газа:

Работа расширения при равновесном процессе, пл. АВv2v1:
Располагаемая внешняя работа газа (полезная), пл. АВр2p1:
Располагаемая (полезная) работа может быть как больше, так и меньше работы расширения; она зависит от наклона кривой процесса в рv - диаграмме.

Работа расширения (или сжатия) зависит не только от начального и конечного состояний тела, но и от характера процесса, в котором рабочее тело переходит из одного состояния в другое.
Работа расширения (1-а-2) и сжатия (2-b-1) при круговом процессе:

4. ОБРАТИМЫЕ И НЕОБРАТИМЫЕ ПРОЦЕССЫ

Процессы, протекающие в прямом и обратном направлениях без остаточных изменений, как в самом рабочем теле, так и в окружающей среде, называют обратимыми
Всякий термодинамический процесс, который проходит через неравновесные состояния, называют необратимым термодинамическим процессом
В результате протекания необратимых процессов в прямом и обратном направлениях термодинамическая система не возвращается в первоначальное состояние без затраты извне энергии.

Необратимыми термодинамическими процессами являются:
процессы расширения и сжатия с конечными скоростями
всякий процесс, сопровождающийся трением
процессы, протекающие при конечной разности температур между рабочим телом и источниками теплоты
процессы диффузии
процесс расширения в пустоту и ряд других.

При расширении газа всегда -
При сжатии газа -
Обратимый процесс представляет собой некоторый предельный случай действительного процесса

5. АНАЛИТИЧЕСКОЕ ВЫРАЖЕНИЕ ПЕРВОГО ЗАКОНА ТЕРМОДИНАМИКИ
Сумма изменений внутренней кинетической и внутренней потенциальной энергии представляет полное изменение удельной внутренней энергии du.
С увеличением объема на dv тело совершает внешнюю работу по преодолению внешних сил, которую обозначают δl
(5.8)

изменение удельной внутренней энергии термодинамической системы равно алгебраической сумме полученной системой энергии в форме удельной теплоты δq и совершенной ею внешней удельной работой δl, или подведенная к рабочему телу энергия в форме удельной теплоты расходуется на изменение удельной внутренней энергии тела и на совершение телом внешней работы
(5.9)
Математическое выражение первого закона термодинамики :

Уравнение первого закона термодинамики для потока:
Приращение внешней кинетической энергии потока в канале называется располагаемой работой и может быть использовано на валу машины
Работа проталкивания:

Работа на изменение внешней потенциальной энергии потока в канале:
В общем случае поток между сечениями канала 1-1 и 2-2 может совершать различные виды полезной работы в тепловых аппаратах: и паровых или газовых турбинах, в компрессорах, вентиляторах, дымососах и др. Все эти виды работы называются технической работой :
При прохождении газа через канал затрачивается работа на преодоление сил трения о стенки канала:

(5.10)
Полученное уравнение первого закона термодинамики справедливо для любых рабочих тел и, в частности, для идеальных газов. Уравнения (5.8), (5.9) и (5.10) описывают как обратимые, так и необратимые процессы.

(5.11)
Уравнения (5.9) и (5.11) выражают первый закон термодинамики, а величину работы pdv можно приравнять правой части уравнения (5.11):
Из этого уравнения следует, что все виды работ в потоке совершаются за счет работы расширения рабочего тела pdv.
Величины, входящие в уравнение (5.8), могут быть как положительными, так и отрицательными и в некоторых случаях могут принимать нулевые значения.

6. ЭНТАЛЬПИЯ
Удельная энтальпия, т.е. отношение энтальпии к массе тела, обозначается h и выражается в джоулях на килограмм (Дж/кг); она представляет собой сложную функцию вида:
В прошлом столетии известный физик Гиббс ввел в практику тепловых расчетов новую функцию, которая по предложению Каммерлинга-Оннеса названа энтальпией.
(5.12)
(5.13)
(5.14)

(5.15)
Удельная энтальпия системы определяется с точностью до некоторой аддитивной постоянной h0. Эту постоянную выбирают произвольно, и в большинстве случаев удельную энтальпию идеального газа (при p → 0) считают равной нулю при 0°С, а константу интегрирования не учитывают
(5.16)
(5.17)
Уравнения (5.16) и (5.17) являются наиболее общим аналитическим выражением первого закона термодинамики для обратимых процессов изменения состояния термодинамической системы.

При p=const уравнение (5.13) превращается в
(5.18)
Дифференциал удельной энтальпии dh есть элементарное количество теплоты, участвующее в процессе при постоянном давлении. Вся теплота в процессе при постоянном давлении расходуется на изменение энтальпии:
(5.19)
(5.20)

(5.21)
Физический смысл энтальпии - удельная энтальпия h равна энергии расширенной системы — тела и окружающей среды.
Энтальпия имеет большое значение и применение при расчетах тепловых и холодильных установок и как параметр состояния рабочего тела значительно упрощает тепловые расчеты. Она позволяет применять графические методы при исследовании всевозможных термодинамических процессов и циклов.