первый закон термодинамикизакон
В 1840‑х годах сразу несколько учёных — Юлиус Майер, Джеймс Джоуль и Герман Гельмгольц — поняли, что теплота не особая незримая жидкость, а форма энергии, способная переходить в механическое движение. Джоуль поставил решающий опыт: падающий груз вращал лопасти в калориметре, и вода нагревалась ровно на столько, сколько предписывало сохранение энергии. В 1850 году Рудольф Клаузиус облёк идею в математику: ΔU = Q − W, где ΔU — прирост внутренней энергии, Q — подведённое тепло, W — совершённая работа. Это — энергетическая бухгалтерия: всё, что поступило, либо запасается в микроскопическом движении частиц, либо тратится вовне. Позже Максвелл и Больцман объяснили U как сумму кинетических энергий молекул.
Как работает
В кастрюле на плите вода получает тепло; часть этой энергии уходит на разрыв связей при испарении (работа против атмосферы). В дизельном двигателе воздух сжимается — его молекулы разгоняются, температура подскакивает, и впрыснутое топливо сгорает, ещё резче увеличивая внутреннюю энергию, которая затем превращается в движение поршня. Холодильник, наоборот, забирает тепло изнутри и выбрасывает его на заднюю решётку — здесь электричество совершает работу, перекачивая тепло. Закон связывает все эти величины как строгий бухгалтер энергии.
💡 Джоуль собрал свой знаменитый прибор — калориметр с вращающимися лопастями — в отцовской пивоварне. Измеряя нагрев воды с точностью до сотых долей градуса, он получил механический эквивалент тепла 4,15 Дж/кал, что фантастически близко к современному значению 4,184 Дж/кал.
\Delta U = Q - W
ΔU — изменение внутренней энергии системы (Дж), Q — количество теплоты, переданное системе (Дж), W — работа, совершённая системой над окружающей средой (Дж). Внутренняя энергия U — сумма кинетической и потенциальной энергии всех микрочастиц; не включает кинетическую энергию движения системы как целого.