Первое начало термодинамики

Первое начало, или первый закон термодинамики, или закон сохранения энергии для тепловых систем, удобно рассмотреть на примере работы тепловой машины. В состав тепловой машины входят источник тепла $Q_1$, рабочее тело, например цилиндр с поршнем, под которым газ может нагреваться ($ΔQ_1$) или охлаждаться холодильником, отбирающим от рабочего тела тепло $ΔQ_2$. При этом может совершаться работа $ΔA$ и изменяется внутренняя энергия $ΔU$.

Энергия теплового движения может превращаться в энергию механического движения, и наоборот. При этих превращениях соблюдается закон сохранения и превращения энергии. Применительно к термодинамическим процессам это и есть первое начало термодинамики, установленное в результате обобщения многовековых опытных данных. Опыт показывает, что изменение внутренней энергии $ΔU$ определяется разностью между количеством теплоты $Q_1$, полученной системой, и работой $А$:

$ΔU = Q_1– A$

или:

$Q_1= A_1 + ΔU$.

Первое начало термодинамики определяет вторую функцию состояния – энергию, точнее, внутреннюю энергию $U$, которая представляет энергию хаотического движения всех молекул, атомов, ионов и т. д., а также энергию взаимодействия этих микрочастиц. Если система не обменивается с окружающей средой энергией или веществом (изолированная система), то U = const в соответствии с законом сохранения энергии. Отсюда следует, что работа $А$ равна количеству теплоты $Q$, то есть периодически действующий двигатель (тепловая машина) не может совершать работу большую, чем сообщенная ему извне энергия, а это значит, что невозможно создать двигатель, который путем каких-то преобразований энергии может увеличить ее общее количество.