Первый закон термодинамики

Содержание и основные понятия

Изменение внутренней энергии системы равно сумме переданной ей теплоты и работы внешних сил. При другом соглашении знаков используют работу, совершённую самим газом.
ФГОС · 10 класс
ФОП · базовый уровень
интерактивная модель
внутренняя энергия
теплота
работа газа
адиабата
01
Физическая картина
Что происходит и какие границы имеет модель.
Главная идея
Изменение внутренней энергии системы равно сумме переданной ей теплоты и работы внешних сил. При другом соглашении знаков используют работу, совершённую самим газом.
Внутренняя энергия — функция состояния, а теплота и работа характеризуют процесс.
В изохорном процессе газ не совершает работу расширения.
В адиабатном процессе теплообмен отсутствует, но температура может меняться из-за работы.
Как рассуждать
Сначала назовите систему и взаимодействия, затем выберите величины и только после этого записывайте закон. Формула работает в пределах допущений модели.
02
Законы и величины
Символы следует читать как связь величин, а не как рецепт подстановки.
Δ
U
=
Q
−
A
газа
\Delta U=Q-A_{\mathrm{газа}}
Δ
U
=
Q
−
A
газа
​
первый закон
A
газа
=
p
Δ
V
A_{\mathrm{газа}}=p\Delta V
A
газа
​
=
p
Δ
V
работа при постоянном давлении
Разбор ситуации
При адиабатном сжатии внешняя работа увеличивает внутреннюю энергию и температуру газа.
04
Связи и применение
В реальном мире
При адиабатном сжатии внешняя работа увеличивает внутреннюю энергию и температуру газа.
Проверка модели
Сравнивайте предсказание с наблюдением, оценивайте единицы, порядок величины и влияние неучтённых факторов. Расхождение не всегда означает ошибку закона: часто идеализация перестаёт быть достаточной.
Ц
Что нужно понимать
Результат 1
Объяснять физический смысл темы «Первый закон термодинамики» через модель, а не только через формулу.
Результат 2
Различать и корректно использовать термины: внутренняя энергия, теплота, работа газа.
Результат 3
Указывать условия применимости закона, проверять единицы и предельные случаи.
Т
Термины темы
Определение должно указывать физический смысл, а не заменяться бытовым синонимом.
внутренняя энергия
Сумма кинетической энергии хаотического движения частиц и потенциальной энергии их взаимодействия.
теплота
Энергия, передаваемая между системами вследствие разности температур.
работа газа
Энергия, переданная газом окружению при изменении объёма; равна площади под графиком p(V).
адиабата
Линия процесса без теплообмена с окружающей средой на диаграмме состояния.
Ф
Происхождение и вывод формул
Фундаментальный закон нельзя «доказать» алгеброй: для каждой записи указано, является ли она определением, экспериментальным законом или следствием модели.
Δ
U
=
Q
−
A
газа
\Delta U=Q-A_{\mathrm{газа}}
Δ
U
=
Q
−
A
газа
​
постулат или модель
Первый закон.
Ниже показано, из какого определения, опыта или закона возникает эта запись и где она применима.
Q
=
Δ
U
+
A
газа
Q=\Delta U+A_{\mathrm{газа}}
Q
=
Δ
U
+
A
газа
​
Закон сохранения энергии утверждает: полученная теплота идёт на изменение внутренней энергии и работу системы над окружением.
A
над газом
=
−
A
газа
A_{\mathrm{над\ газом}}=-A_{\mathrm{газа}}
A
над
газом
​
=
−
A
газа
​
Работа внешних сил над газом противоположна по знаку работе газа.
Δ
U
=
Q
−
A
газа
\Delta U=Q-A_{\mathrm{газа}}
Δ
U
=
Q
−
A
газа
​
Перегруппировка баланса даёт первый закон при принятом соглашении знаков.
Условия:
Замкнутая термодинамическая система без переноса вещества; Q > 0 при подводе теплоты, Aгаза > 0 при работе газа над внешними телами.
Контроль:
Размерности обеих частей должны совпадать; результат проверяют на знак, порядок и предельный случай.
A
газа
=
p
Δ
V
A_{\mathrm{газа}}=p\Delta V
A
газа
​
=
p
Δ
V
следствие модели
Работа при постоянном давлении.
Ниже показано, из какого определения, опыта или закона возникает эта запись и где она применима.
F
=
p
S
F=pS
F
=
pS
Газ с давлением p действует на поршень площади S силой pS.
A
=
F
Δ
x
=
p
S
Δ
x
A=F\Delta x=pS\Delta x
A
=
F
Δ
x
=
pS
Δ
x
При постоянном давлении работа силы на перемещении поршня Δx равна FΔx.
Δ
V
=
S
Δ
x
⇒
A
=
p
Δ
V
\Delta V=S\Delta x\quad\Rightarrow\quad A=p\Delta V
Δ
V
=
S
Δ
x
⇒
A
=
p
Δ
V
Произведение площади поршня на его перемещение равно изменению объёма.
Условия:
Квазистатическое расширение или сжатие под постоянным давлением; учитывается только pV-работа, ΔV = V₂ − V₁.
Контроль:
Размерности обеих частей должны совпадать; результат проверяют на знак, порядок и предельный случай.
!
Границы модели и типичные ошибки
Ошибка: забыть условие модели
Нельзя переносить формулу на любую ситуацию только из-за совпадения букв. Ключевое условие этой темы: Внутренняя энергия — функция состояния, а теплота и работа характеризуют процесс.
Как проверить рассуждение
В изохорном процессе газ не совершает работу расширения. Затем проверьте единицы, направление векторов и поведение результата при нулевом или очень большом параметре.
Σ
Вывод по теме
Первый закон термодинамики
Изменение внутренней энергии системы равно сумме переданной ей теплоты и работы внешних сил. При другом соглашении знаков используют работу, совершённую самим газом.
Внутренняя энергия — функция состояния, а теплота и работа характеризуют процесс.
В изохорном процессе газ не совершает работу расширения.
Любой численный результат сопровождается единицей, знаком и объяснением его физического смысла.
Содержание сверено с ФРП по физике ООО/СОО 2025 года и тематикой действующих линий ФПУ: И. М. Пёрышкин и соавторы (7–9), Г. Я. Мякишев и соавторы (10–11); углубления — с линиями «Инженеры будущего» и В. А. Касьянова. Формулировки оригинальные, тексты учебников не воспроизводятся.