§ 53. Первое начало термодинамики

В самом общем случае, обмениваясь энергией со средой или окружающими телами, рассматриваемая сила может получать или отдавать количества тепла может производить работу или над ней может быть произведена работа А. Тепло иработа - это двеформы, в которых энергия тела может передаваться среде или, наоборот, энергия среды может передаваться телу. Закон сохранения энергии исключает возможность каких-либо потерь при энергетическом обмене. Разность энергий системы в двух состояниях должна равняться сумме теплоты и работы, полученных системой от окружающих тел.

Это утверждение нельзя было бы подвергнуть опытной проверке, если бы мы не добавили, что прирост энергии при переходе системы от одного состояния к другому всегда один и тот же вне зависимости от характера или способа перехода от начального состояния к конечному. Принцип сохранения энергии заключен именно в последнем

утверждении. Его-то мы, несомненно, можем подвергнуть .всесторонней экспериментальной проверке, измеряя сообщенные системе теплоту и работу в различных переходах от одного и того же начального к одному и тому же конечному состоянию. Прирост энергии во всех случаях должен быть одним и тем же.

Закон сохранения энергии, выраженный в приведенной конкретной форме, носит название первого начала термодинамики. Этот важнейший закон природы был установлен работами ряда ученых в середине прошлого столетия. Роль Роберта Майера, Джоуля и прежде всего Гельмгольца следует оценить особенно высоко.

Для записи первого начала термодинамики в виде формулы надо условиться о выборе знака для теплоты и работы. Мы примем, что теплота положительна тогда, когда она сообщается системе, а работу будем считать положительной тогда, когда тело совершает ее против действия внешних сил. Тогда первое начало термодинамики запишется в виде

т. е. подведенное телу тепло идет на изменение внутренней энергии и на произведенную телом работу. Разумеется, мыслимы любые превращения, при которых каждая из входящих в равенство величин может быть положительной и отрицательной.

Не случайно в записи первого начала знак дифференциала использован только для энергии. Работа и тепло не являются полными дифференциалами. При переходе тела из одного состояния в другое величины работы и тепла, полученные или отданные телом, будут зависеть от «пути» перехода, и лишь прирост энергии, как это имеет место для полного дифференциала какой-либо функции, не зависит от способа перехода:

Применение закона сохранения энергии и, в частности, первого начала термодинамики охватывает все разделы физики. Ценность его для науки заключается в исключительной предсказательной силе. Не имея каких бы то ни было сведений о характере процесса, зная лишь начальное и конечное состояния системы, можно делать ряд ценных выводов. Пусть, например, проводит химическая реакция присоединения молекулы А к В, образуется молекула Допустим, нам известны внутренние энергии молекул и Если больше, чем то мы можем предсказать, что реакция протекает с поглощением тепла, и притом в количестве, равном Или, зная и в и измеряя при помощи калориметра теплоту реакции, мы можем найти и использовать эти данные для предсказания хода какой-либо другой реакции, в которой участвует соединение АВ.