Первый закон термодинамики является частным случаем закона сохранения и превращения энергии, впервые установленного основоположником русской науки М. В. Ломоносовым в замечательной по своей широте и значению формулировке закона сохранения и неуничтоюжаемости материи, движения и силы.
Первый закон термодинамики устанавливает эквивалентность при взаимных превращениях механической и тепловой энергии и математически может быть выражен следующим образом:
Q = L,
где Q — количество теплоты, превращенной в работу;
L — работа, полученная за счет теплоты Q.
Количества теплоты Q и работы L измерены в данном случае в соответствии с системой единиц СИ — в одних и тех же единицах — в джоулях.
Так как за единицу работы принят Дж, то единицей мощности будет являться Дж/с. Эта единица носит название ватт (Вт). В технике применяют более крупные единицы энергии (работы) и мощности: килоджоуль (кДж), мегаджоуль (МДж), киловатт (кВт), мегаватт (МВт), киловатт-час (кВт-ч).
В промышленности до последнего времени за единицу тепловой энергии принимали калорию (кал), за единицу механической работы килограмм-силу-метр, или килограммометр (кгс·м), а за единицу мощности—килограммометр в секунду (кгс·м/с). Так как эти единицы слишком малы, то в качестве практических единиц были приняты килокалория (ккал), мегакалория (Мкал), лошадиная сила (л. с.) и киловатт (кВт). Соответствующими единицами работы (энергии) были приняты киловатт-час (кВт-ч), лошадиная сила-час (л. с. ч.), а мощности — килограммометр в секунду (кгс-м/с).
Пользуясь первым законом термодинамики, можно определить коэффициент полезного действия (К. П. Д.) теплосиловых установок ηст, характеризующий степень совершенства превращения ими теплоты в работу.
К. п. д. может быть вычислен, если известны расход топлива на 1 кВт-ч и теплота сгорания топлива, т. е. то количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании массовой или объемной единицы топлива.
Аналитическое выражение первого закона термодинамики или основное уравнение теплоты в дифференциальной форме для любого тела
dQ = dU + dL,
где dQ — количество теплоты, сообщенное извне рабочему телу массой М кг;
dU — изменение внутренней энергии рабочего тела;
dL — работа, совершенная рабочим телом по преодолению внешнего давления, «внешняя работа» расширения.
Каждый из трех членов этого уравнения может быть в зависимости от характера изменения состояния положительным, или отрицательным, или равным нулю.
Для бесконечно малого изменения состояния 1 кг любого газа уравнение примет следующий вид:
dq = du + dl.
Так как
dl = pdv,
то
dq = du + pdv.
Для конечного изменения состояния уравнения соответственно имеют вид
Q = ΔU+ L
и
q = Δu+ I
Работа расширения 1 кг газа
dl= pdv,
Изменение внутренней энергии идеального газа для любого процесса при бесконечно малом изменении состояния (для I кг)
du=сvdt.
В теплотехнических расчетах обычно требуется знать изменение внутренней энергии Δu, а не ее абсолютное- значение; поэтому начало отсчета (0 К или 0° С) для конечного результата (Δu) не имеет значения.
Интегрируя уравнение в пределах t1 — t2, получаем
Δu = cvm (t1 — t2),
где cvm — средняя массовая теплоемкость при постоянном объеме в пределах t1 — t2.
Таким образом, изменение внутренней энергии идеального газа для любого процесса равно произведению средней теплоемкости при постоянном объеме на разность температур газа.
