Химия — СЗГМУ, Лечебное дело
В термодинамике любая часть материального мира, выделенная для рассмотрения, называется термодинамической системой. Пространство и объекты, не входящие в систему, образуют окружающую среду. В зависимости от возможности обмена веществом и энергией с окружающей средой различают изолированные (нет обмена ни веществом, ни энергией) и закрытые (нет обмена веществом, но возможен обмен энергией) системы. Энергетические изменения в таких системах описываются с помощью трёх фундаментальных величин: внутренней энергии, теплоты и работы.
Внутренняя энергия — это полный запас энергии системы, обусловленный движением и взаимодействием всех её микрочастиц (атомов, молекул, ионов). Она включает в себя:
Ключевые свойства внутренней энергии:
Этот параметр является строго определённым и не зависит от пути процесса (реакции).
Абсолютное значение внутренней энергии измерить невозможно, так как она включает в себя все виды движения и взаимодействия. В практической термодинамике и химии оперируют только её изменением ().
Теплота — это форма передачи энергии от более нагретого тела к менее нагретому за счёт хаотического (теплового) движения частиц (молекул, атомов). Теплота не является веществом или "теплородом".
Ключевые свойства теплоты:
Работа в термодинамике — это форма передачи энергии, связанная с упорядоченным, направленным движением объектов под действием внешних сил. Наиболее важным видом работы в химии и физике является работа расширения (объёмная работа) против внешнего давления.
Элементарная работа расширения для системы, находящейся под внешним давлением , при изменении объёма на описывается уравнением:
Общая работа для процесса от объёма до равна:
Для обратимого процесса, когда внешнее давление бесконечно мало отличается от внутреннего давления системы (), работа равна:
Ключевые свойства работы:
> Простыми словами: Внутренняя энергия — это вся энергия, "спрятанная" внутри тела. Теплота — это энергия, переданная за счёт разницы температур. Работа — это энергия, переданная за счёт механического движения (например, поршень толкает газ, или газ толкает поршень).
Первый закон термодинамики является количественным выражением закона сохранения и превращения энергии применительно к тепловым явлениям. Он утверждает, что энергия не возникает из ничего и не исчезает бесследно, а переходит из одной формы в другую (например, химическая энергия в тепловую или механическую).
Энергия, полученная системой в виде теплоты (), расходуется на изменение её внутренней энергии () и на совершение системой работы () против внешних сил.
В интегральной форме (для конечного процесса):
или, что эквивалентно:
Важно: В разных учебниках могут использоваться разные знаки для работы. В приведённой формуле () работа включает в себя все виды работы (объёмную, электрическую и т.д.) и берётся со знаком "+", если работа совершается над системой.
В дифференциальной форме (для элементарного бесконечно малого изменения состояния):
Здесь — полный дифференциал (изменение функции состояния), а и — элементарные количества теплоты и работы (не являются полными дифференциалами, так как зависят от пути).
Изолированная система не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией. Следовательно, для такой системы справедливы условия:
Подставляя эти значения в уравнение первого закона:
Формулировка: Внутренняя энергия изолированной системы остаётся постоянной (). Любые процессы, происходящие внутри такой системы (например, химическая реакция между компонентами), приводят только к перераспределению энергии, но её общий запас не изменяется.
Вывод: Первый закон в этом случае является прямым следствием закона сохранения энергии и накладывает запрет на создание вечного двигателя первого рода — устройства, способного совершать работу без подвода энергии извне.
Закрытая система не обменивается веществом, но может обмениваться энергией с окружающей средой в виде теплоты и работы.
Общая формулировка: Изменение внутренней энергии закрытой системы равно сумме теплоты (), переданной системе, и работы (), совершённой над системой:
Это уравнение всегда выполняется для закрытых систем. Рассмотрим частные случаи:
1. Изохорный процесс (). Объём не меняется (). Работа расширения газа равна нулю (). Если других видов работы нет, то .
2. Изобарный процесс (). Давление постоянно. В этом случае к системе подводится теплота , часть которой идёт на изменение внутренней энергии (), а часть — на совершение работы расширения (). Подставляя в первый закон (), получаем:
Отсюда:
Где — энтальпия (теплосодержание) системы, являющаяся также функцией состояния.
| Тип системы | Условия | Формулировка 1 закона |
| :--- | :--- | :--- |
| Изолированная | | . Энергия системы постоянна. |
| Закрытая | | . Энергия системы меняется только за счёт теплообмена и работы. |
Практическое значение в медицине и биологии:
Организм человека является открытой системой (обменивается и веществом, и энергией), но для понимания базовых принципов его функционирования применяются модели закрытых систем. Первый закон термодинамики лежит в основе калориметрии — метода измерения энергетической ценности пищи. При сжигании питательных веществ в калориметре (моделирование метаболизма) измеряют выделившуюся теплоту, которая равна изменению внутренней энергии системы (), что позволяет рассчитать, сколько энергии получит организм при окислении этих веществ.