Известно, что закон сохранения энергии является одним из фундаментальных законов физики, он широко используется во многих явлениях природы. Закон сохранения энергии имеет неоспоримое и всеобьемляющее значение, иногда его называют принципом сохранения энергии. Закон сохранения энергии принадлежит к числу плодотворнейших принципов природы, и оно широко используется в самых различных областях техники, промышленности и жизни [1].
Закон сохранения энергии мы рассмотрим когда происходит передача теплоты или когда над телом совершается работа. Именно при рассмотрении закона сохранения энергии в тепловых процессах, вернее при рассмотрении первого начала термодинамики возникают затруднения у многих учащихся школ, студентов высшего учебного заведения. Во многом это связано с тем, что они путают формулировки первого начала термодинамики из-за понятий работы совершенной над системой, работы совершенной самой системой над внешними телами. Из-за путаницы этих двух понятий получаются две различные формулировки первого начала термодинамики.
Во-первых условимся сделать следующее обозначение: Q –передача количества теплоты, U1 – внутренняя энергия тела в начальном состоянии, U2 – внутренняя энергия тела в конечном состоянии, А1 – работу совершенной над системой внешними телами, А2 – работу совершенную самой системой над внешними телами. Отсюда сразу вытекает, что из третьего закона Ньютона для одного и того же термодинамического процесса получается А1 = –А2.
В термодинамических системах между отдельными молекулами через излучение происходит обмен энергиями, теплота передается от одного тела к другому в микроскопических процессах [2].
Здесь мы приведем формулировку первого начала термодинамики таким образом:
Количество теплоты, сообщенное системе, идет на приращение внутренней энергии системы и на совершение системой работы над внешними телами [4]
В данном случае мы говорим об изменении внутренней энергии, т.е. о приращении внутренней энергии: U2 – U1 = ΔU.
Соответственно уравнение первого начала термодинамики записывается следующим образом:
Q = ΔU + А2;
Δ1Q = ΔU + Δ1А2.
Здесь мы должны сделать следующее замечание, во первых внутренняя энергия, работа, количество теплоты естественно измеряются в Джоулях, но при записи уравнения первого начала термодинамики имеются разные обозначения. Во вторых обозначения Δ, Δ1 – имеют глубокий физический смысл, которую мы сейчас выясним и полностью обьясним. Запись внутренней энергии существенно отличается от записи работы и количества теплоты, это связано с тем, что внутренняя энергия строго представляет собой функцию состояния, ее можно представить как запас внутренней энергии тела в различных состояниях, внутренняя энергия является функцией состояния системы. Под внутренней энергией системы U понимается ее полная энергия, однако интерес представляет не сама внутренняя энергия, а ее изменение ΔU. Внутренняя энергия системы это функция состояния системы, т.е. зависит от параметров состояния Р, V, Т и не зависит от способа, которым это состояние было достигнуто. Каждому термодинамическому состоянию системв соответствует определенное значение внутренней энергии [4].
Про работу и количество теплоты термодинамической системы мы не сможем говорить аналогичное рассуждение,их нельзя представить в виде определенного запаса энергии, они не являются функциями состояния, работа и количество теплоты являются функциями физического процесса.
Если работа совершается над системой, то система приобретает соответствующее количество теплоты и значение Q и А отрицательны [3]. Такое определение знаков принято в термодинамике. При увеличении внутренней энергии системы ΔU> 0, при ее уменьшении ΔU < 0.
Поэтому во многих учебниках физики в школьной программе первый закон термодинамики записывается следующим образом:
ΔU= Q + А1
или же аналогичное соотношение:
ΔU= Q – А2.
В неизолированной термодинамической системе изменение внутренней энергии ΔU равно сумме количества теплоты Q, переданного системе, и работы А1 внешних сил [4].
Это выражение закона сохранения и превращения энергии называется первым законом термодинамики.