Скидка на подшипники из наличия!
Новое поступление товара в 2026 году!
Первое начало термодинамики — фундаментальный закон сохранения энергии для тепловых процессов. Он утверждает, что количество теплоты, подведённое к термодинамической системе, расходуется на изменение её внутренней энергии и на совершение системой работы над внешними телами. Закон справедлив для любых равновесных и неравновесных процессов.
В технической термодинамике первое начало термодинамики формулируется уравнением Q = ΔU + A, где Q — теплота, сообщённая системе, ΔU — изменение её внутренней энергии, A — работа, совершённая системой против внешних сил. Все величины имеют размерность энергии, в СИ — джоуль (Дж).
Закон обобщает классический принцип сохранения энергии на тепловые явления и был сформулирован в середине XIX века работами Юлиуса Майера, Джеймса Джоуля и Германа Гельмгольца. Эквивалент теплоты и механической работы установил Джоуль экспериментально.
Знаковое правило (термодинамическая школа): Q > 0 — теплота подводится к системе; A > 0 — работа совершается системой. В химической школе работа A считается с противоположным знаком: ΔU = Q − A.
Внутренняя энергия U — однозначная функция состояния системы. Её изменение ΔU зависит только от начального и конечного состояний, но не от пути перехода. Для идеального газа U зависит лишь от температуры: U = ν·CV·T, где ν — количество вещества, CV — молярная теплоёмкость при постоянном объёме.
В отличие от U величины Q и A зависят от пути процесса и являются функциями процесса. Работа расширения газа в равновесном процессе: δA = p·dV. Полная работа находится интегрированием по объёму от V1 до V2.
Для бесконечно малого изменения состояния закон записывается в виде δQ = dU + δA = dU + p·dV. Символ d обозначает полный дифференциал функции состояния, символ δ — элементарное приращение функции процесса.
Первое начало термодинамики удобно применять к четырём типовым изопроцессам идеального газа. В каждом случае одна из величин (p, V, T или Q) остаётся постоянной, что упрощает анализ.
Из анализа изобарного и изохорного процессов следует уравнение Майера: Cp − CV = R, где R = 8,314 Дж/(моль·К) — универсальная газовая постоянная. Отношение γ = Cp/CV называется показателем адиабаты.
Для открытых термодинамических систем, через границы которых проходит поток вещества, закон записывается в виде уравнения энергии потока. В стационарном режиме для одного входа и одного выхода:
q − lтех = (h2 − h1) + (c2² − c1²)/2 + g·(z2 − z1)
где h — удельная энтальпия, c — скорость потока, z — высота, lтех — техническая работа (например, работа турбины или компрессора). Это уравнение применяется при расчётах паровых турбин, компрессоров, сопел, теплообменников.
Энтальпия H = U + pV — функция состояния, удобная для описания процессов при постоянном давлении. В изобарном процессе теплота равна изменению энтальпии: Qp = ΔH. Это свойство широко используется в расчётах теплообменников и термохимических задачах.
Преимущества: универсальность (применим к любой системе и любому процессу), простота формулировки, ясная физическая интерпретация, основа всех инженерных энергетических расчётов.
Ограничения: первое начало не указывает направление протекания процесса. Оно допускает как самопроизвольный переход теплоты от горячего тела к холодному, так и обратный — поэтому его всегда дополняют вторым началом термодинамики, вводящим понятие энтропии и необратимости.
Невозможность вечного двигателя первого рода — машины, производящей работу без затрат энергии — прямое следствие первого начала. Этот вывод подтверждён всей историей экспериментальной физики.
Первое начало термодинамики — универсальный энергетический закон, лежащий в основе всей технической термодинамики и теплоэнергетики. Формула Q = ΔU + A связывает теплоту, изменение внутренней энергии и работу системы и применяется при расчёте всех тепловых машин, теплообменных и термохимических процессов. Глубокое понимание этого закона необходимо для грамотного инженерного анализа любых энергетических установок.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.