Первый закон и сохранение энергии

Первый закон термодинамики распространяет принцип сохранения энергии на тепловые процессы, определяя теплоту и работу как взаимозаменяемые способы изменения внутренней энергии системы.

Definition

Первый закон термодинамики гласит, что изменение внутренней энергии системы равно теплоте, подведенной к системе, минус работа, совершенная ею, выражая сохранение энергии, когда теплота включается как форма передачи энергии.

Scope

Эта тема охватывает формулировку первого закона, внутреннюю энергию как функцию состояния, зависимость теплоты и работы от пути, точные и неточные дифференциалы, а также формулировку dU = dQ - dW. Включены приложения к энтальпии, теплоемкостям и анализу термодинамических процессов, таких как изотермические, адиабатические и изохорические пути.

Core questions

• Почему внутренняя энергия является функцией состояния, тогда как теплота и работа — нет?
• Как механический эквивалент теплоты установил сохранение энергии в тепловой и механической областях?
• Как теплота и работа совместно определяют изменения энергии по различным путям процесса?
• Что отличает энтальпию от внутренней энергии и когда целесообразно использовать каждую из них?

Key concepts

• Внутренняя энергия как функция состояния
• Теплота и работа как зависящие от пути передачи
• Точные и неточные дифференциалы
• Энтальпия и теплоемкости
• Адиабатические, изотермические и изохорические процессы

Clinical relevance

Первый закон лежит в основе учета энергии в двигателях, калориметрии, энтальпиях химических реакций и метаболическом энергетическом балансе, обеспечивая принцип учета для каждого процесса, который обменивается теплотой и работой.

History

Первый закон кристаллизовался в 1840-х годах, когда Майер и Джоуль независимо установили механический эквивалент теплоты, а Гельмгольц обосновал универсальное сохранение энергии, объединив механику, теплоту и другие формы энергии.

Key figures

• James Prescott Joule
• Julius Robert von Mayer
• Hermann von Helmholtz

Seminal works

• joule1850
• callen1985

Frequently asked questions

Почему теплота и работа записываются с неточными дифференциалами?

Поскольку обмененная теплота и совершенная работа зависят от пути, пройденного между двумя состояниями, а не только от конечных точек, тогда как внутренняя энергия зависит только от состояния; обозначение неточного дифференциала указывает на эту зависимость от пути.