Թերմոդինամիկայի առաջին օրենք

Թերմոդինամիկայի առաջին օրենք, թերմոդինամիկայի երեք հիմնական օրենքներից մեկը, էներգիայի պահպանման օրենքը թերմոդինամիկական համակարգի համար։
Թերմոդինամիկայի առաջին օրենքը ձևակերպվել է 19-րդ դարի կեսին Յուլիուս Մեյերի, Ջեյմս Ջոուլի և Հերման Հելմհոլցի աշխատանքների արդյունքում։ Թերմոդինամիկայի առաջին օրենքի համաձայն՝ թերմոդինամիկական համակարգը կարող է աշխատանք կատարել միայն իր ներքին էներգիայի կամ էներգիայի որևէ արտաքին աղբյուրների հաշվին։ Թերմոդինամիկայի առաջին օրենքը հաճախ ձևակերպվում է որպես առաջին սեռի հավերժական շարժիչի գոյության անհնարինություն։ Առաջին սեռի հավերժական շարժիքը աշխատանք պիտի կատարեր՝ առանց որևէ աղբյուրից էներգիա սպառելու։


== Ձևակերպում ==
Թերմոդինամիկայի առաջին օրենքի մի քանի համարժեք ձևակերպումներ կան․

Ցանկացած մեկուսացված համակարգում էներգիայի պաշարը մնում է հաստատուն։ Սա Ջոուլի ձևակերպումն է (1842 թ․)։ 
Համակարգի ստացած ջերմաքանակը ծախսվում է նրա ներքին էներգիայի փոփոխության և արտաքին ուժերի դեմ աշխատանք կատարելու վրա։
Համակարգի ներքին էներգիայի փոփոխությունը մի վիճակից մյուսին անցնելիս հավասար է արտաքին ուժերի աշխատանքի և համակարգին հաղորդված ջերմաքանակի գումարին, այսինքն՝ կախված է միայն համակարգի սկզբնական ու վերջնական վիճակներից և կախված չէ այդ անցումն իրականացնելու եղանակից։ ԱՅս սահմանումը հատկապես կարևոր է քիմիական թերմոդինամիկայի համար (դիտարկվող պրոցեսների բարդության պատճառով։ Այլ կերպ ասած, ներքին էներգիան վիճակի ֆունկցիա է։ Ցիկլիկ պրոցեսում ներքին էներգիան չի փոփոխվում։

  
    
      
        ∮
        d
        U
        =
        0
      
    
    {\displaystyle \oint dU=0}
  ։

Համակարգի լրիվ էներգիայի փոփոխությունը քվազիստատիկ պրոցեսում հավասար է համակարգին հաղորդված 
  
    
      
        Q
      
    
    {\displaystyle Q}
   ջերմաքանակի, 
  
    
      
        μ
      
    
    {\displaystyle \mu }
   քիմիական պոտենցիալով 
  
    
      
        N
      
    
    {\displaystyle N}
   նյութի քանակի հետ կապված էներգիայի փոփոխության և արտաքին ուժերի ու դաշտերի կողմից կատարված 
  
    
      
        
          A
          ′
        
      
    
    {\displaystyle A'}
   աշխատանքի գումարին, հանած համակարգի կողմից արտաքին ուժերի դեմ կատարված 
  
    
      
        A
      
    
    {\displaystyle A}
  աշխատանքը․

  
    
      
        Δ
        U
        =
        Q
        −
        A
        +
        μ
        Δ
        N
        +
        
          A
          ′
        
      
    
    {\displaystyle \Delta U=Q-A+\mu \Delta N+A'}
  ։

  
    
      
        δ
        Q
      
    
    {\displaystyle \delta Q}
   տարրական ջերմաքանակի, 
  
    
      
        δ
        A
      
    
    {\displaystyle \delta A}
   տարրական աշխատանքի և 
  
    
      
        d
        U
      
    
    {\displaystyle dU}
   ներքին էներգիայի փոքր աճի համար թերմոդինամիկայի առաջին օրենքը ընդունում է հետևյալ տեսքը․

  
    
      
        d
        U
        =
        δ
        Q
        −
        δ
        A
        +
        μ
        d
        N
        +
        δ
        
          A
          ′
        
      
    
    {\displaystyle dU=\delta Q-\delta A+\mu dN+\delta A'}
  ։
Աշխատանքի տարաբաժանումը երկու մասի, որոնցից մեկը նկարագրում է համակարգի վրա կատարված աշխատանքըմ իսկ մյուսը՝ հենց համակարգի կատարած աշխատանքը, ընդգծում է, որ այդ աշխատանքները կարող են կատարվել տարբեր բնույթի ուժերով տարբեր ուժերի աղբյուրների հետևանքով։

  
    
      
        d
        U
      
    
    {\displaystyle dU}
  -ն և 
  
    
      
        d
        N
      
    
    {\displaystyle dN}
  -ն լրիվ դիֆերենցիալներ են, իսկ 
  
    
      
        δ
        A
      
    
    {\displaystyle \delta A}
  -ն ու 
  
    
      
        δ
        Q
      
    
    {\displaystyle \delta Q}
  -ն՝ ոչ։


== Նշանների կանոնը ջերմության և աշխատանքի համար ==
Գիտական և ուսումնական գրականության մեջ կարելի է հանդիպել թերմոդինամիկայի առաջին օրենքի ձևակերպման տարբերակների, որոնք տարբերվում են 
  
    
      
        Q
      
    
    {\displaystyle Q}
  -ից և 
  
    
      
        A
      
    
    {\displaystyle A}
  -ից առաջ 
  
    
      
        +
      
    
    {\displaystyle +}
   կամ 
  
    
      
        −
      
    
    {\displaystyle -}
   նշաններով։ Այս տարբերությունները պայմանավորված են «աշխատանքի և ջերմության համար նշանների կանոններ» կոչվող համաձայնությամբ։ Ըստ IUPAC-ի հանձնարարականների՝ փակ համակարգում հավասարակշիռ պրոցեսի համար առաջին օրենքը գրվում է հետևյալ առնչության տեսքով․

Այս արտահայտության մեջ օգտագործված է ջերմության և աշխատանքի համար IUPAC-ի նշանների կանոնը,երբ նշանները 
  
    
      
        U
      
    
    {\displaystyle U}
  -ից, 
  
    
      
        Q
      
    
    {\displaystyle Q}
  -ից և 
  
    
      
        A
      
    
    {\displaystyle A}
  -ից առաջ համընկնում են, դրական է համարվում համակարգին տրված ջերմությունը և համակարգի վրա կատարած աշխատանքը, իսկ բացասական՝ համակարգից խլված ջերմությունը և համակարգի կատարած աշխատանքը։ IUPAC-ի նշանների համակարգը մտապահելու համար մնեմոնիկական «էգոիստական» կանոնը․ դրական է այն, ինչը մեծացնում է համակարգի ներքին էներգիան։


== Մասնավոր դեպքեր ==
Դիտարկենք մի քանի մասնավոր դեպքեր․

Եթե 
  
    
      
        δ
        Q
        >
        0
      
    
    {\displaystyle \delta Q>0}
  , ապա համակարգին հաղորդվում է ջերմություն,
Եթե 
  
    
      
        δ
        Q
        <
        0
      
    
    {\displaystyle \delta Q<0}
  , վերցրվում է,
Եթե 
  
    
      
        δ
        Q
        =
        0
      
    
    {\displaystyle \delta Q=0}
  , ապա համակարգը ջերմափոխանակություն չի անում շրջակա միջավայրի հետ հետևյալ պատճառներից մեկով․ կամ գտնվում է թերմոդինամիկական հավասարակշռության վիճակում շրջակա միջավայրի հետ, կամ ադիաբատ մեկուսացված է։Վերջավոր 
  
    
      
        1
        →
        2
      
    
    {\displaystyle 1\to 2}
   պրոցեսում տարրական ջերմաքանանակը կարող է ցանկացած նշանի լինել։ Ընդհանուր ջերմաքանակը, որը նշանակել ենք 
  
    
      
        Q
      
    
    {\displaystyle Q}
  , պրոցեսի բոլոր մասերում հաղորդված ջերմաքանակների հանրահաշվական գումարն է։ Պրոցեսի ընթացքում ջերմությունը կարող է մտնել համակարգ կամ դուրս գալ համակարգից տարբեր եղանակներով։
Համակարգի վրա կատարված աշխատանքի և էներգիա-նյութ հոսքի բացակայության դեպքում, երբ 
  
    
      
        δ
        
          A
          ′
        
        =
        0
      
    
    {\displaystyle \delta A'=0}
  , 
  
    
      
        δ
        Q
        =
        0
      
    
    {\displaystyle \delta Q=0}
  , 
  
    
      
        d
        N
        =
        0
      
    
    {\displaystyle dN=0}
  , համակարգի կատարած 
  
    
      
        δ
        A
      
    
    {\displaystyle \delta A}
   աշխատանքը հանգեցնում է նրան, որ 
  
    
      
        Δ
        U
        <
        0
      
    
    {\displaystyle \Delta U<0}
  , և համակարգի 
  
    
      
        U
      
    
    {\displaystyle U}
   էներգիան նվազում է։ Քանի որ 
  
    
      
        U
      
    
    {\displaystyle U}
   ներքին էներգիայի պաշարը սահմանափակ էր, ապա պրոցեսը, որում համակարգը անվերջ երկար ժամանակ աշխատանք է կատարում առանց դրսից էներգիա հաղորդելու, հնարավոր չէ, ինչն էլ արգելում է առաջին սեռի հավերժական շարժիչների գոյությունը։
Թերմոդինամիկայի առաջին սկզբունքը․

իզոբար պրոցեսի դեպքում․
  
    
      
        Q
        =
        Δ
        U
        +
        A
        =
        Δ
        U
        +
        p
        Δ
        V
      
    
    {\displaystyle Q=\Delta U+A=\Delta U+p\Delta V}
  ,իզոխոր պրոցեսի դեպքում (
  
    
      
        A
        =
        0
      
    
    {\displaystyle A=0}
  )․
  
    
      
        Q
        =
        Δ
        U
        =
        
          
            m
            M
          
        
        
          C
          
            V
          
        
        Δ
        T
      
    
    {\displaystyle Q=\Delta U={m \over M}C_{V}\Delta T}
  ,իզոթերմ պրոցեսի դեպքում 
  
    
      
        (
        Δ
        U
        =
        0
        )
      
    
    {\displaystyle (\Delta U=0)}
  ․
  
    
      
        Q
        =
        A
        =
        
          
            m
            M
          
        
        R
        T
        ln
        ⁡
        
          
            
              V
              
                2
              
            
            
              V
              
                1
              
            
          
        
      
    
    {\displaystyle Q=A={m \over M}RT\ln {V_{2} \over V_{1}}}
  ։Այստեղ 
  
    
      
         
        m
      
    
    {\displaystyle \ m}
  -ը գազի զանգվածն է, 
  
    
      
         
        M
      
    
    {\displaystyle \ M}
  -ը՝ մոլային զանգվածը, 
  
    
      
         
        
          C
          
            V
          
        
      
    
    {\displaystyle \ C_{V}}
  -ն՝ մոլային ջերմունակությունը հաստատուն ծավալի դեպքում, 
  
    
      
         
        p
        ,
        V
        ,
        T
      
    
    {\displaystyle \ p,V,T}
  -ն՝ համապատասխանաբար գազի ճնշումը, ծավալը և ջերմաստիճանը, ընդ որում վերջին հավասարությունը ճիշտ է միայն իդեալական գազի համար։


== Տես նաև ==
Թերմոդինամիկայի զրոերորդ օրենք
Թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենք
Թերմոդինամիկայի երրորդ օրենք


== Ծանոթագրություններ ==


== Գրականություն ==
The Feynman Lectures on Physics Vol. I Ch. 44: The Laws of Thermodynamics
Cohen E. R., Cvitaš T., Frey J. G. e. a. Quantities, Units and Symbols in Physical Chemistry. — 3rd ed. — Cambridge: The Royal Society of Chemistry Publishing, 2007. — XIV + 234 с. — ISBN 978-0-85404-433-7
Александров А. А. Термодинамические основы циклов теплоэнергетических установок. — М.: Изд-во МЭИ, 2004. — 159 с. — ISBN 5-7046-1094-3
Коган В. Е., Литвинова Т. Е., Чиркст Д. Э., Шахпаронова Т. С. Физическая химия / Науч. ред. проф. Д. Э. Чиркст. — СПб.: Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», 2013. — 450 с.
Кочергин С. М., Добреньков Г. А., Никулин В. Н. и др. Краткий курс физической химии / Под ред. Кондратьева С. Н.. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Высшая школа, 1978. — 312 с.