Первый закон термодинамики

Введение

Термодинамика — наука о закономерностях превращения энергии.
Основы термодинамики были заложены в XIX в., когда в связи с развитием тепловых двигателей возникла необходимость изучения закономерностей превращения теплоты в работу. Но затем метод термодинамики перешагнул пределы теплотехники и нашел широкое применение во многих отраслях физики, химии и других наук.
В данном реферате рассмотрен первый закон термодинамики.
Актуальность темы заключается в том, что согласно первому закону термодинамики, термодинамическая система может совершать работу только за счёт своей внутренней энергии или каких-либо внешних источников энергии. И данный закон формулируют невозможность существования вечного двигателя первого рода, который совершал бы работу, не черпая энергию из какого-либо источника.
Целью реферата является изучение появления первого закона термодинамики, на каком основании он работает, его сущность и применение человеком.
Для выполнения поставленной цели следует выполнить задачи - дать понятие теплоты, внешней работы, внутренней энергии, подробно рассмотреть закон сохранения и превращения энергии и уравнение первого закона термодинамики.
Реферат имеет следующую структуру - введение, основная часть, состоящая из 6-ти глав, заключение и библиографический список, включающий семь источников литературы.


1. Краткая историческая справка. Теплота. Опыт Джоуля

Первый закон термодинамики (ПЗТ) является частным случаем всеобщего закона сохранения и превращения материи, сформулированного Михаилом Васильевичем Ломоносовым в 1750 году. Частность первого закона термодинамики заключается в том, что первый закон термодинамики записывается для макроскопических неподвижных систем. Неподвижность в первом законе термодинамики следует понимать в том смысле, что система координат, относительно которой пишутся уравнения, скреплена с центром масс термодинамического рабочего тела. С тепловым движением частиц, то есть теплотой и тепловой энергией, связаны величины, фигурирующие в ПЗТ.
ПЗТ является обобщением закона сохранения и превращения энергии для термодинамической системы. Первый закон термодинамики формулируется следующим образом: изменение внутренней энергии неизолированной термодинамической системы равно разности между количеством теплоты, переданной системе, и работой , совершенной системой над внешними телами.
К понятию работы довольно близко понятие теплоты. В термодинамике понятие теплота является важным.
ПЗТ был сформулирован в середине двадцатого века в результате работ немецкого ученого, врача Ю. Р. Майера и английского физика Дж. П. Джоуля.
В одна тысяча восемьсот сороковом году, работая на острове Ява, Р. Майер провел анализ других экспериментаторов и врачей. По итогам своих работ он сделал выводы, что закон сохранения энергии является универсальным. Примером служит переход энергии в теплоту, которая содержится в человеческой еде. Рукопись, которая отослана им в немецкий научный журнал в одна тысяча восемьсот сороковом, к публикации принята не была, а его печатные работы одна тысяча восемьсот сорок втором году были публично осмеяны. Через некоторое время результаты Дж. Джоуля были более точные и поэтому были опубликованы в научной литературе.
Считается, что окончательная формулировка первого закона термодинамики была сделана в 1845—1847 гг.
В работах Джоуля в 1843—1850 гг

. было установлено, что между затраченной работой Ь и количеством полученной теплоты L существует прямая пропорциональность:
Q = А·L , (1.1)
где А = 1427ккалкг·м = 9,81 Джкг·м - коэффициент пропорциональности, названный тепловым эквивалентом работы.
В дальнейшем можно было утверждать согласно принципу механической работы и эквивалентности теплоты, что в определенном эквивалентном отношении друг к другу находятся, не смотря на различие в качестве, все виды энергии.


2. Энергия и работа
2.1 Закон сохранения и превращения энергии
Фундаментальным законом природы, который имеет всеобщий характер, является закон сохранения и превращения энергии (ЗСиПЭ). Этот закон гласит: энергия не исчезает и не возникает вновь, она лишь переходит из одного вида в другой в различных физических и химических процессах.
Применительно к энергиям потенциальной и кинетической в механике закон сохранения энергии был известен довольно давно.
В настоящее время известны различные виды энергии: внутриядерная энергия, энергия теплового движения микрочастиц, которые составляют тело; энергия электромагнитного излучения, полей магнитного и электрического; кинетическая энергия всего тела в целом; энергия гравитационного поля и другие виды энергии.
ЗСиПЭ носит также название первого закона термодинамики.
Необходимо напомнить еще раз, что ПЗТ имеет всеобщий характер.
2.2 Внутренняя энергия и внешняя работа
Далее рассмотрим извне процесс подвода теплоты. Она подводится к некоторому телу от какого-то любого источника теплоты. Объем данного источника тепла является неизменным с течением времени и поддерживается. Примером служит газ, который находится в сосуде низменного объема. Как известно из практики, в результате подвода теплоты температура тела возрастает.
Количество теплоты, которое поступило к телу, равно увеличению его внутренней энергии. Это происходит в соответствии с ЗСиПЭ. Внутренняя энергия тела (U) складывается из внутриатомной (энергия электронных оболочек атомов), энергии внутримолекулярных колебаний, потенциальной энергии сил сцепления между молекулами, внутримолекулярной энергии, внутриядерной энергии, энергии вращательного и поступательного движения молекул, составляющих тело.
Выше процесс подвода теплоты к телу рассматривался происходящим таким образом, что объем тела сохранялся постояннымВ общем случае при нагревании увеличивается объем нагреваемого тела, так как при нагревании при обычных условиях тела расширяются. Это известно многим. Если рассматриваемое тело помещено в среду, давление в которой равно pс, то при увеличении объема тела будет совершаться работа против сил внешнего давления pс.
Внешняя работа при конечном изменении объема:
L = v1v2pcdV, (2.1)
где V - объем тела произвольной формы.
Работа расширения – L это работа, которая связана с увеличением объема системы, то есть работа против сил внешнего давления. Работа расширения совершается системой над окружающей средой.
Поэтому, работа расширения является функцией процесса.


3. Первый закон термодинамики
3.1 Уравнение первого закона термодинамики
В общем случае, когда в результате подвода теплоты к телу температура тела повышается и вследствие увеличения объема тела производится внешняя работа, которая подведена к телу теплота расходуется на увеличение внутренней энергии тела U и на совершение работы L