4. ПЕРВОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ

В основе термодинамики лежат два основных закона, или начала, термодинамики. Эти законы обобщают многовековой опыт человека, они не следуют из других законов, открытых человеком, но сами служат для формулировки различных закономерностей.

Первое начало термодинамики — это закон сохранения и превращения энергии: при разнообразных процессах, протекающих в природе, энергия не возникает из ничего и не уничтожается, но превращается лишь из одних видов в другие.

Исторически в формулировке первого начала термодинамики важную роль сыграли неудачные попытки человека построить машину, которая производила бы работу, не потребляя эквивалентного количества энергии. Машина, производящая работу без потребления эквивалентного количества энергии, называется вечным двигателем первого рода, или — по-латыни — перпетуум мобиле первого рода. Поэтому первое начало термодинамики часто формулируют в виде указания о невозможности построения подобной машины, а именно записывают его в виде следующего утверждения: невозможно построить перпетуум мобиле первого рода.

В 1748 г. в письме к знаменитому математику Л. Эйлеру М. В. Ломоносов писал: «Все перемены, в натуре случающиеся, такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимется, столько присовокупится к другому. Так, ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте, сколько часов положит кто на бдение, столько же отнимет. Сей всеобщий естественный закон простирается и в самые правила движения: ибо тело, движущее своей силой другое, столько же оныя у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает».

Этот закон Ломоносов применял для объяснения физических явлений. Так, например, желая объяснить охлаждение воды, наблюдаемое при растворении некоторых солей, он писал: «Когда какое-либо тело ускоряет движение другого, то сообщает ему часть движения, но сообщить часть движения оно не может иначе, как теряя точно такую же часть. Потому частицы воды, ускоряя вращательное движение частиц соли (при растворении. - Б. К.), теряют часть своего вращательного движения. А так как последнее — причина теплоты, то нисколько не удивительно, что вода охлаждается при растворении соли».

Эти мысли Ломоносова показывают, что он был первым, для кого был ясен один из основных законов природы и кто сформулировал этот закон, конечно, с теми ограничениями, которые неизбежно накладывает на формулировку различных закономерностей историческое развитие науки.

Через сто лет, в 1842 г., Р. Майер (1814—1878) обобщил накопленные наукой данные о взаимной превращаемости теплоты и работы в принципе, которому он придал следующую формулировку: «При всех химических и физических процессах заданная сила остается постоянной

величиной». Работы Майера, однако, не убедили его современников.

Утверждение в науке закона сохранения энергии связано с работами Г. Гельмгольца (1821—1894). Гельмгольц не только сформулировал (1847) закон сохранения энергии в математической форме, но показал те большие возможности, которые открывает применение этого важнейшего принципа естествознания в науке.

Следует отметить, что всеобъемлющее значение первого начала термодинамики было впервые раскрыто Энгельсом, великим материалистом и диалектиком. Диалектический материализм утверждает, что движение является формой существования материи. «Любая форма движения, — писал Энгельс, — оказалась способной и вынужденной превращаться в любую форму движения. Дойдя до этой формы, закон (сохранения и превращения энергии. — Б. К.) достиг своего последнего выражения. Посредством новых открытий мы можем доставить ему новые подтверждения, дать ему новое более богатое содержание. Но к самому закону, как он здесь выражен, мы не можем прибавить более ничего» Энгельс, Диалектика природы).

Для того чтобы записать первое начало термодинамики в математической форме, рассмотрим, как собственно происходит изменение внутренней энергии системы. Для наглядности предположим, что рассматриваемая система — идеальный газ.

Внутренняя энергия газа будет повышаться при его нагревании, т. е. когда мы сообщаем газу какое-то количество теплоты. Таким образом, подвод к системе или отвод от нее теплоты является одним из способов изменения внутренней энергии системы.

Вторым способом изменения внутренней энергии системы является совершение системой некоторой работы, или же совершение работы над системой.

Действительно, если совершить работу, быстро сжав газ, он нагреется, т. е. его внутренняя энергия возрастет. Наоборот, если предоставить газу расширяться, не подводя к нему теплоты, газ будет охлаждаться, т. е. его внутренняя энергия будет убывать.

Передача теплоты и совершение работы — это два процесса в результате которых и только благодаря которым изменяется внутренняя энергия системы.

Учитывая сказанное об изменении внутренней энергии системы, можно записать закон сохранения энергии, приравняв изменение внутренней энергии системы разности между количеством

теплоты, сообщенной системе и работой совершенной системой:

При этой записи считаются положительными все три величины: 1) возрастание внутренней энергии системы; 2) теплота, сообщенная системе; 3) работа, совершенная системой.

Записывая первое начало термодинамики в дифференциальной форме, следует подчеркнуть, что слева в уравнении имеем полный дифференциал внутренней энергии. Каждая из величин, стоящих справа от знака равенства, взятая в отдельности, не является полным дифференциалом, а величины не являются функциями состояния.

Поэтому при принятом определении энергии теплоту нельзя считать энергией.