Първи принцип на термодинамиката

 

 
Градивните частици на веществата в различните агрегатни състояния- твърдо, течно, газообразно, се намират в непрекъснато движение. Доказателство, че такова движение действително съществува, са брауновото движение и дифузията в различните вещества. Молекулното движение е масово- в него участват всички градивни частици на веществото. То е хаотично движение- за него няма избрани, предпочитани направления в пространството. Интензивността му нараства с увеличаване на температурата. Затова то се нарича още топлинно движение.
Сумата от кинетичните енергии на хаотично движещите се градивни частици на едно тяло и потенциалните енергии на взаимодействието между тях определя вътрешната енергия на тялото. Тази макроскопична величина се изменя при протичането на два вида процеси- при извършване на работа и при топлообмен. Първият случай се наблюдава например тогава, когато има движение, съпроводено с триене, а вторият- при допиране на тела с различна температура.
Физичната величина, която характеризира количествено топлообмена и играе роля, аналогична на величината механична работа, се нарича количество топлина.
Многобройни точни измервания са установили, че по отношение на изменението на вътрешната енергия извършваната механична работа А и обмененото количество топлина Q са напълно еквивалентни. Затова можем да ги измерваме с едни и същи единици и следователно да запишем ∆Е вътр.=А+Q. Това равенство представлява количествен израз на първия принцип на термодинамиката. Първият принцип на термодинамиката може да се формулира и по друг начин: Не е възможно да се конструира такъв двигател, който да извършва работа, без да черпи отнякъде енергия за това.
Енергетичната еквивалентност на топлината и работата, т.е. възможността да се измерват и сравняват техните количества в едни и същи единици, е доказана от Ю.Р. Майер (1842) и особено от опитите на Джеймс Джаул (1843). Първият принцип на термодинамиката е формулиран от Майер, а след това от Херман фон Хелмхолц (1847).
От първия принцип на термодинамиката следва, че вътрешната енергия характеризира състоянието на една система. Ако такава система е например еднородно тяло, което е способно да извършва работа само при изменение на обема, то ∆А=pdV и изменението на вътрешната енергия ще бъде ∆Е вътр.=∆Q- pdV, където ∆Q е нарастване на количеството топлина. При фиксиран обем (dV=0) цялото предавано на тялото количество топлина отива за нарастване на вътрешната енергия и затова в частност, специфичния топлинен капацитет при постоянен обем Сv, на тялото е равен на Сv=∆E вътр./∆Т.
Специфичният топлинен капацитет е величина, равна на количеството топлина, което трябва да се предаде на 1 кг от дадено вещество, за да се повиши температурата му с 1˚С при определени условия: постоянен обем V, постоянно налягане Р.
Сумата от механичната енергия и вътрешната енергия на едно тяло определя неговата пълна енергия:
Е пълна= Е мех.+Е вътр.
Опитът показва, че ако имаме една затворена система от тела винаги когато нейната механична енергия се изменя, това изменение се компенсира от съответна промяна на вътрешната енергия така, че пълната енергия остава постоянна Е пълна= const. В това се състои законът за запазване на енергията, който е в сила не само за механичните, но за всички процеси, протичащи в природата. Всички природни процеси са всъщност процеси на преминаване на енергията от един вид в друг, при което енергия не се губи и не се създава. Никога досега в нито едно явление- от гигантските движения на галактиките в Космоса до превръщанията на елементарните частици, не е било забелязано нито едно изключение от този закон. Това е един от основните закони в природата.
Всички механизми, всички машини, с които разполага човечеството, всъщност представляват преобразуватели на енергия. Те не я създават, а я превръщат от един вид в друг, по-удобен за използване. Самото използване представлява също преобразуване на енергия. Основният източник на енергия на Земята е Слънцето. „Земна” енергия, която не дължи своя произход на Слънцето, е атомната.