Першае пачатак тэрмадынамікі - гэта пачатак усяго існага

Прадметам вывучэння тэрмадынамікі з'яўляецца энергія ва ўсіх яе праявах і, самае галоўнае, пераходы энергіі з аднаго віду ў іншы. Так склалася, што сам тэрмін узнік на світанку навуковых даследаванняў у галіне энергіі, а на той момант пералік розных відаў энергіі быў яшчэ невялікі - механічная і цеплавая. Таму, назва «тэрмадынаміка» найбольш дакладна адлюстроўвала сутнасць прадмета - рух (перадача) і пераўтварэнне цяпла ў механічную працу і наадварот. Паступова з'явіліся паняцці, якія характарызуюць цеплавыя працэсы: цеплыня плаўлення, цеплаёмістасць і, нарэшце-то, адзінка вымярэння колькасці цяпла - калорыя (1772 г., М.Вильке). Пройдзе нямала часу і будзе сфармулявана першае пачатак тэрмадынамікі, але кожны крок быў вынікам карпатлівай працы многіх даследчыкаў.

Для вывучэння законаў тэрмадынамікі прынятыя некаторыя ўмоўнасці, якія дазваляюць вылучыць доследны прадмет і канкрэтызаваць яго ўласцівасці, якія павінны быць вывучаны. Доследныя аб'екты ўяўляюцца замкнёнымі сістэмамі з вялікай колькасці часціц. Калі ў сістэме можна вызначыць межы некаторага аб'ёму, то яе называюць целам. Вось так і з'явіўся галоўны ўдзельнік тэрмадынамічнага дзейства: сістэма часціц, складзеная ў нейкім аб'ёме - ідэальны газ. У працэсе энергетычных пераўтварэнняў тэрмадынамічная сістэма змяняе свой стан, і гэтыя змены апісваюцца наборам паняцьцяў - параметраў працэсу. Калі ў якасці параметраў ўзяць тэмпературу T, аб'ём V і ціск P, то іх дастаткова для апісання любога тэрмадынамічнага працэсу. Усе сістэмы разглядаюцца толькі для раўнаважкіх станаў. Ўсталяванне раўнавагі, напрыклад, цеплавога, - гэта працэс цеплаперадачы - нешта астывае, а нешта награваецца. Пры гэтым колькасці «аддаў - атрымаў», як сцвярджае першае пачатак тэрмадынамікі, будуць аднолькавыя. І вось тут крыецца галоўная задача, якую стагоддзямі вырашаюць навукоўцы: пошук удзельнікаў энергетычнага абмену і вызначэнне іх ролі ў працэсе.

Аснову тэарэтычнага апарата тэрмадынамікі складаюць 3 закона. Пры гэтым лічыцца, што цела можа паглынаць энергію, павялічваючы сваю ўнутраную, (напрыклад, пры падагрэве) і / або за кошт сваёй унутранай энергіі здзяйсняць працу па пераадоленні знешніх сіл (напрыклад, выштурхваючы поршань). Зыходзячы з гэтага, першае пачатак тэрмадынамікі трактуецца наступным чынам: змена ўнутранай энергіі цела U ёсць сума паглынутай ім энергіі Q і энергіі знешніх сіл A. Матэматычна гэта выяўляецца праз бясконца малыя змены наступным чынам:

dU = dQ + dA (1)

Фактычна гэта закон захавання энергіі, можна сказаць, закон быцця.

Асаблівасці тэрмадынамічных працэсаў звычайна разглядаюць на мадэлі, дзе рабочым целам бяруць ідэальны газ, які можна награваць і / або ўчыняць над ім механічную працу знешнімі сіламі (сціск - пашырэнне) пры дапамозе поршня, а адзін з параметраў - ціск P, аб'ём V або тэмпература T - роўны канстанты. Прымяненне першага пачатку тэрмадынамікі да изопроцессам дазваляе вызначыць крыніцы-прыёмнікі энергіі для канкрэтных умоў.

Ізахорны працэс азначае, што V = const. Следствам таго, што механічная работа адсутнічае, бо аб'ём не змяняецца, за кошт нагрэву измененяется толькі ўнутраная энергія, і тады: dA = pdV = 0, а значыць dU = dQ і вызначыць яе можна з суадносін:

dQ = (m / M) * CV * dT (2)

Такім чынам, ізахорны працэс абумоўлены прыростам тэмпературы.

Ізабарны працэс прадугледжвае p = const, а гэта ўмова выконваецца, калі рабочае цела пры нагрэве выконвае механічную працу, напрыклад, перасоўванне поршня. Калі па чарзе прымяніць выразы для энергіі нагрэву і раўнанне Мендзялеева-Клайперона, то можна лёгка атрымаць выраз для вылічэнні механічнай працы газу :

A = (m / M) * R * (T2 - T1) (3)

R - газавая пастаянная, і азначае працу па павелічэнні аб'ёму газу ў колькасці адзін моль, калі тэмпература зменіцца на адзін градус Кельвіна. Выснову: пры ізабарнага працэсе газ папоўніцца энергіяй нагрэву (2) і расходуе частка узрослай ўнутранай энергіі на пашырэнне (3).

Працэс, у якім T = const, у тэрмадынаміцы называецца ізатэрмічным. Яго сутнасць у тым, што атрыманая за кошт нагрэву ўнутраная энергія цалкам расходуецца на працу па преодолениию знешніх сіл. Першае пачатак тэрмадынамікі для изопроцессов кажа пра тое, што для захавання нязменнага тэмпературы цела яго ўнутраная энергія папаўняе затраты на выкананне механічнай працы і залежыць ад змены ціску. Разлічыць гэтыя энергетычныя затраты можна з выразы:

Q = A = (m / M) * R * T * (ln (p1 / p2)).