первое начало термодинамики

ПЕРВОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ - закон сохранения энергии для термодинамич. системы, согласно к-рому работа может совершаться только за счёт теплоты или к--л. др. формы энергии. Поэтому работу и кол-во теплоты можно измерять в одних единицах - Джоулях (1 Дж = 0,239 кал = 0,102 кгс/м). П. н. т. сформулировано как закон природы Ю. Р. Майером (J. R. Мауег) в 1842 и установлено экспериментально Дж. Джоулем (J. Joule) в 1843. П. н. т. можно формулировать как невозможность существования вечного двигателя 1-го рода, к-рый совершал бы работу, не черпая энергию из к--л. источника.
Согласно П. н. т., теплота Q, сообщаемая системе, равна сумме приращения внутр. энергии U и работы, производимой системой против внеш. сил:

Q = U₂-U₁ + A; при бесконечно малом изменении состояния системы:

где - бесконечно малое кол-во теплоты, передаваемой системе, - работа, совершаемая системой против внеш. сил, dU - изменение её внутр. энергии.
Ур-ние (1) является определением величины dU, т. к. и - независимо измеряемые величины. П. н. т. утверждает, что dU есть полный дифференциал нек-рой ф-ции U (величиныи, вообще говоря, не являются полными дифференциалами). Т. о., любая термодинамич. система обладает ф-цией состояния - энергией U, зависящей лишь от параметров, определяющих равновесное состояние системы, и не зависящей от процесса, к-рым система была приведена в это состояние. Передаваемое тепло Q и работа А зависят от пути, по к-рому совершается процесс, т. к. величины и не есть полные дифференциалы. В системах, обменивающихся со средой веществом и энергией, в П. н. т. следует учитывать энергию Z, передаваемую при переносе массы: Q = U₂ - U₁ + А + Z.
Энергию U можно экспериментально определить, измеряя работу, совершаемую адиабатически замкнутой термодинамич. системой (т. е. при Q = 0), тогда А_ад= U₂ - U₁, что определяет U с точностью до аддитивной постоянной. Работу А можно определить по изменениям параметров системы. Напр., при бесконечно малом расширении однородной системы (жидкости или газа) при давлении Р её работа = PdV и, следовательно, Ур-ние (1) в этом случае имеет вид
В общем случае, если система характеризуется п экстенсивными параметрами a_l, ..., а_пи обобщёнными силами Х₁, ..., Х_п, элементарная работа

П. н. т. можно формулировать также с помощью энтальпии Н = U + PV, т. к.

Такая форма удобна для применения П. н. т. к стационарным процессам (см. Джоуля - Томсчна эффект). П. н. т. имеет многочисленные приложения, особенно эффективные при использовании также и второго начала термодинамики. Следствием П. н. т. является формула Майера для разности между теплоёмкостью при постоянном давлении и при постоянном объёме:

Ср - С_V = [Р + (dU/dV)_T](dV/dT)_P,

эта величина означает кол-во тепла, перешедшее в работу.
В феноменологич. термодинамике внутр. энергию U = U(V,T)рассматривают как экспериментально измеряемую ф-цию (калорическое уравнение состояния). Статистич. физика позволяет теоретически рассчитать ур-ние состояния исходя из законов взаимодействия между молекулами и вывести соотношение (2). При этом одновременно получается статистич. обоснование как П. н. т., так и 2-го начала термодинамики.

Лит.: Ван-дер-Ваальс И. Д., Констамм Ф., Курс термостатики, [пер. с нем.], ч. 1, М., 1936; Эпштейн П. С., Курс термодинамики, пер. с англ., М. - Л., 1948; Зоммерфельд А., Термодинамика и статистическая физика, пер. с нем., М., 1955; Кубо Р., Термодинамика, пер. с англ., М., 1970; Леонтович М. А., Введение в термодинамику. Статистическая физика, М., 1983; Новиков П. И., Термодинамика, М., 1984.

Д. Н. Зубарев.