Закон термического равновесия утверждает, что две системы, находящиеся в термическом равновесии с третьей системой, состоят в термическом равновесии друг с другом (рис. 34).
 |
Рис. 34. Термическое равновесие между телами. Если Т1 = Т3 и Т2 = Т3, то Т1 = Т2
4.2. Первый закон термодинамики
Любая система обладает энергией. Энергия – есть качественная и количественная характеристика движения и взаимодействия объектов материального мира.
Твердые тела, жидкости и газы проявляют разнообразные свойства, зависящие от природы атомов и молекул, составляющих эти тела. Они способны обмениваться энергией с окружающей средой, изменять агрегатное состояние в результате фазовых переходов или химический состав в результате реакций, проявлять (или не проявлять) ионную и электронную проводимость, разную степень теплопроводности, теплоемкости и бесчисленное число других физико-химических свойств. Процесс изменения физико-химического состояния вещества подчиняется фундаментальному закону сохранения энергии: энергия не возникает из ничего и не исчезает бесследно; она лишь превращается из одних видов в другие в строго эквивалентных количествах. Закон есть результат многовековых наблюдений, подтверждается экспериментальными данными и не имеет исключений.
Первый закон термодинамики есть частный случай закона сохранения энергии. Он применим к тепловым процессам, в которых обмен системы энергией с окружающей средой осуществляется в форме теплоты Q и работы А.
Рассмотрим систему, представляющую собой идеальный газ в цилиндре под поршнем (рис. 35). Внешним источником энергии для такой системы выступает нагреватель. Пусть нагреватель передает идеальному газу некоторое количество энергии в форме теплоты Q [Дж]. В результате такого воздействия увеличивается внутренняя энергия системы DU (поднимается температура газа) и совершается работа А перемещения груза на некоторую высоту. В соответствии с законом сохранения энергии получаем:
Q = DU + А (4.6)
Уравнение (4.6) является аналитическим выражением первого закона термодинамики: энергия, полученная (отданная) системой в форме теплоты, равна алгебраической сумме изменения её внутренней энергии и совершенной ею (над ней) работы.
Рис. 35. Изменение энергетического состояния системы (газ в цилиндре под поршнем) при нагревании
Формулировка первого закона указывает, что движение энергии возможно в любых направлениях и к системе, и от неё. На рис. 36 демонстрируются принятые в термодинамике знаки для работы, теплоты и внутренней энергии.
Пример . При сгорании 10 л бензина в автомобильном двигателе выделилось энергии в форме теплоты Q(горение) = 460×103 кДж. На нагревание окружающей среды (раскаленные выхлопные газы) затрачено энергии в форме теплоты Q(окр. среда) = 345×103 кДж. Часть энергии сгоревшего бензина израсходована на увеличение внутренней энергии DU = 10×103 кДж (нагревание двигателя). Вычислить количество бензина, израсходованное на движение автомобиля. И определить коэффициент полезного действия машины, работающей на бензине.
Решение
Согласно первому закону термодинамики
Q = DU + А
460×103 + (-345×103)= 10×103 + А
А = 105×103 кДж.
Коэффициент полезного действия h равен:
h 
.
Из 10 л бензина на движение автомобиля расходуется V = 10×0,228 = 2.28 л, а 7.72 л израсходованы на нагревание окружающей среды, включая нагревание двигателя, который при остывании также нагревает воздух.
В термодинамике принята следующая система знаков для оценки направления процессов обмена энергией системы с окружающей средой (рис. 36).
 |
Рис. 36. Модель возможных маршрутов обмена энергией системы с окружающей средой в форме теплоты и работы
Эндотермический [ др.-греч endon внутри, qermh тепло] процесс – есть процесс, происходящий с поглощением системой энергии в форме теплоты (Q) из окружающей среды. Численное значение (Q) берется со знаком плюс, например, (Q) = + 100 кДж.
Экзотермический [др.-греч. exw снаружи, вне] процесс – есть процесс, происходящий с выделением системой энергии в форме теплоты (Q) в окружающую среду. Численное значение берется со знаком минус, например,
(Q) = - 100 кДж.
Для работы знаки выбираются иначе. Если система совершает работу, она считается положительной. Например, автомобиль (система) везет пассажиров. Но если приходится пассажирам толкать машину, у которой заглох двигатель, то эта работа считается отрицательной.
4.3. Свойства термодинамической системы
Системе присущи такие свойства, как объем V, давление р, температура Т, концентрация с i, теплоемкость Ср или CV, внутренняя энергия U, а совокупность свойств определяет состояние системы. Если изменилось состояние системы, изменяются её свойства. Изменение состояния системы называется процессом. Подчеркнем, что изменение свойств не зависит от пути перехода системы из начального состояния в конечное.
Между свойствами системы существуют определенные функциональные связи. Например, уравнение состояния идеального газа 
связывает свойства таким образом, что любое из них можно определить, если известны другие.
Важнейшими понятиями в термодинамике являются внутренняя энергия, теплота, теплоемкость, работа. Обмен внутренней энергией U термодинамической системы (в дальнейшем термодинамическую систему будем называть просто системой) с окружающей средой осуществляется либо в форме работы А, либо в форме теплоты Q, либо одновременно в обеих формах. Подчеркнем, что термодинамика рассматривает только две формы передачи энергии – теплоту и работу и не рассматривает, например, обмен системы энергией с окружающей средой посредством электромагнитного излучения.