Изменение внутренней энергии термодинамической системы равно разности количества подведенной теплоты и количества полученной механической работы, т. е. для получения работы в тепловых двигателях необходим подвод теплоты.
Энергия не возникает из ничего и не исчезает бесследно. Она может лишь в различных формах переходить от одних тел к другим, но общее ее количество в изолированной системе не может изменяться ни при каких условиях.
Первый закон термодинамики
В основе закона сохранения и превращения энергии лежит принцип эквивалентности различных видов энергии.
Техническая термодинамика обычно рассматривает только две формы передачи энергии – механическую работу и теплоту. Как и внутренняя энергия, работа и теплота измеряются в джоулях. Удельная работа и удельная теплота измеряются в Дж/кг.
При трансформации работы в теплоту вся работа превращается в теплоту, но при преобразовании теплоты в работу, к сожалению, часть теплоты расходуется на изменение внутренней энергии. Количество теплоты считается положительным, если оно увеличивает внутреннюю энергию системы, т.е. когда теплота подводится к системе из окружающей среды.
Количество механической работы принято считать положительным, если оно приводит к уменьшению внутренней энергии системы, т.е. когда внутренняя энергия расходуется на совершение работы над окружающей средой.
С учетом этого первый закон термодинамики можно сформулировать следующим образом. Математическая запись первого закона термодинамики может быть представлена в виде:
где Q – количество подведенной к системе теплоты, Дж;
L – количество совершенной работы, Дж.
Так как в тепловых двигателях осуществляется трансформация теплоты в работу, внесенная в систему теплота расходуется на совершение работы и увеличение внутренней энергии. Математическая запись первого закона термодинамики в этом случае:
В случае, если величины уравнения (6.3) отнесены к 1 кг массы рабочего тела уравнение (6.3) приобретает вид:
либо в дифференциальной форме:
Рассмотрим процесс подвода тепла к газу, который находится в цилиндре с подвижным поршнем. Газ расширится и переместит поршень, совершив работу dl. Кроме того изменится внутренняя энергия газа. Тепло расходуется на изменение внутренней энергии и совершение работы.
Несмотря на общность понятий теплоты и работы как меры переданной энергии, между ними имеется качественное различие. Энергия передаваемая работой может непосредственно расходоваться на увеличение любого вида энергии, а теплота непосредственно может быть израсходована только на увеличение внутренней энергии.
