У термодинаміці розглядаються системи, механічна енергія яких при переході з одного термодинамічного стану в інший не змінюється. У такому разі, якщо зовнішні сили виконали роботу \(A′\) й одночасно системі передано певну кількість теплоти \(Q\), то вся енергія йде на зміну внутрішньої енергії системи (\(∆U\)) . Закон збереження та перетворення енергії в такому випадку називають першим законом (началом) термодинаміки.
Зміна внутрішньої енергії системи (∆U) при переході з одного термодинамічного стану в інший дорівнює сумі роботи A′ зовнішніх сил і кількості
теплоти Q, переданої системі або переданої системою навколишнім тілам у процесі теплообміну:
теплоти Q, переданої системі або переданої системою навколишнім тілам у процесі теплообміну:
Якщо згадати, що робота над газом рівна роботі газу, але з протилежним знаком, то перший закон термодинаміки можна сформулювати так:
Кількість теплоти \(Q\), передана системі, йде на зміну внутрішньої енергії системи (\(∆U\)) та на виконання системою роботи \(A\) проти зовнішніх сил:
Згідно з першим законом термодинаміки неможливо створити вічний двигун першого роду — циклічний пристрій, який виконував би механічну роботу без споживання енергії ззовні або виконував би роботу більшу, ніж споживана ним енергія.
Розглянемо, якого вигляду набуде перший закон термодинаміки у випадках, якщо ідеальному газу незмінної маси передавати деяку кількість теплоти таким чином, що один із макроскопічних параметрів газу (\(V\), \(p\) або \(T\)) залишатиметься незмінним.
| Ізохорний процес (\(∆V=0\)) | Ізотермічний процес (\(∆T=0\)) | Ізобарний процес (\(∆p=0\)) |
| У ході цього процесу об’єм газу не змінюється і газ роботу не виконує, тому рівняння першого закону термодинаміки має вигляд: . При ізохорному процесі вся передана газу кількість теплоти витрачається на збільшення внутрішньої енергії газу. Якщо газ ідеальний одноатомний, то кількість теплоти, передана газу, дорівнює: . |
У ході цього процесу температура, а отже, і внутрішня енергія газу не змінюються тому рівняння першого закону термодинаміки має вигляд: При ізотермічному процесі вся передана газу кількість теплоти йде на виконання механічної роботи. |
У ході цього процесу виконується робота і змінюється внутрішня енергія газу, тому рівняння першого закону термодинаміки має вигляд:.При ізобарному процесі передана газу кількість теплоти йде і на збільшення внутрішньої енергії газу, і на виконання механічної роботи. Якщо газ одноатомний і ідеальний то: |
Адіабатний процес — це процес, який відбувається без теплообміну з навколишнім середовищем. При адіабатному процесі кількість теплоти \(Q\), передана системі, дорівнює нулю, тому перший закон термодинаміки має вигляд:
Оскільки \(p=nkT\), у разі адіабатного стиснення тиск газу зростає набагато швидше, ніж у разі ізотермічного, адже одночасно зі збільшенням концентрації молекул газу збільшується і його температура. Аналогічно в разі адіабатного розширення тиск падає швидше, ніж у разі ізотермічного, адже одночасно зменшуються і концентрація, і температура газу.
У реальних умовах процес, близький до адіабатного, можна здійснити, якщо газ міститиметься всередині деякої оболонки з дуже хорошими термоізоляційними властивостями. Адіабатними можна вважати й процеси, які відбуваються дуже швидко, тому що в такому випадку газ не встигає обмінятися теплотою з навколишнім середовищем (наприклад, розширення і стиснення повітря в ході поширення звукових хвиль; розширення газу під час вибуху). Збільшення температури внаслідок різкого стиснення повітря використовується в дизельному двигуні, в якому відсутня система запалювання пальної суміші.