Термодинамиканың бірінші бастамасы

Құбылыстарды термодинамикалық тұрғыдан қарастырған кезде өз ара байланыстағы көптеген денелердің ішінен бір денені, яғни зертелетін жүйені бөліп аламыз да қалған денелерді сыртқы орта немесе сыртқы денелер деп қарастырамыз. Мұндай әдісте негізгі көңіл таңдалған жүйеге бөлінеді де оның геометриялық шекарасы қарастырылатын есепті шешуге ыңғайлы болатын жағдайға сай шартта алынады. Жүйе тыныштық күйде деп алынады да ондағы барлық энергетикалық өзгерістер оның ішкі энергиясының өзгеруіне әкеледі. Ал бұл жүйе мен сыртқы ортаның арасындағы энергия алмасу жылу берілу немесе жұмыс істеу арқылы жүргізіледі. Мынандай бір схеманы (4.1-сурет) қарастырайық. 1-зерттелетін жүйе, 2, 3 - сыртқыденелер болсын. Жүйе түбі ал үстіңгі жағында жылжымалы поршені бар цилиндрдің ішінде орналастырылған делік. Мысалы, цилиндр қабырғалары және поршень адиабатты келіп, ал цилиндрдің түбіне жылу өтетіндей болсын. Сонда, қарастырылған 1 жүйе 2 денемен жылулық контактіде, ал 3 денемен механикалық контактіде (яғни бұл денемен поршеннің қозғалуы арқылы жұмыс істеліп, энергия алмаса алады) болады. Суретте көрсетілгендей, 2 денеден жүйеге жылудың элементар мөлшері беріледі, ал жүйе болса, 3 денемен элементар жұмысын істеп, оған белгілі энергия береді. Осының нәтижесінде жүйенің ішкі энергиясы шамасына өзгереді:

Бұл теңдеу термодинамиканың бірінші бастамасын сипаттайды, яғни жүйенің айналасын қоршаған денелерден алған жылуы, оның ішкі энергиясын өзгертуге және сыртқы күштерге қарсы жасалған жұмысқа шағындалады.

Егер жүйе жылуды қабыладса, ал система сыртқы денелер үстінен жұмыс істеп, оларға энергия берсе, болады. Жалпы жағдайда жүйе жылуды беруі мүмкін немесе сыртқы денелердің жұмыс істеуі нәтижесінде энергия қабылдануы мүмкін. Бұл айтылғаннан жылу берілген кезде әрқашанда жүйенің ішкі энергиясы артады екен деп түсінуге болмайды. Жүйеге жылу берілгенмен де оның ішкі энергиясы артпай, кемуі мүмкін Бұл жағдайда (4.1) бойынша яғни жүйе жұмысты алынған есебінен де, кемуі ға тең ішкі энергия қорының есебінен де істеуі мүмкін.

(4.1) теңдеуіне қатысты тағы бір айта кететін мәселе, ол жүйенің ішкі энергиясының дифференциалы, ал және жылудың және жұмыстың дифференциалы емес, олардың азғантай элементтар мәндері.

Егер жүйе тек механикалық жұмыс жасайтын болса (мысалы, сыртқы қысым күштеріне қарсы ұлғаю жұмысы) онда (4.1) өрнегін былайша жазамыз:

(4.2)

Сонымен (4.2) теңдеуі термодинамиканың бірінші бастамасын кез келген жүйе күйінің элементар тепе-теңдік өзгерістері үшін тек механикалық жұмысты есепке алған жағдайында сипаттайды.