Перший закон термодинаміки є окремим випадком закону збереження і перетворення енергії, вперше встановленого основоположником російської науки М. В. Ломоносовим в чудовій по своїй широті і значенням формулюванні закону збереження і неунічтоюжаемості матерії, руху і сили.
Перший закон термодинаміки встановлює еквівалентність при взаємних перетвореннях механічної та теплової енергії і математично може бути виражений наступним чином:
Q = L,
де Q — кількість теплоти, перетвореної в роботу;
L —робота, отримана за рахунок теплоти Q.
Кількості теплоти Q і роботи L виміряні в даному випадку відповідно до системи одиниць СІ – в одних і тих же одиницях – в джоулях.
Так як за одиницю роботи прийнятий Дж, то одиницею потужності буде Дж / с. Ця одиниця називається ват (Вт). У техніці застосовують більші одиниці енергії (роботи) і потужності: кілоджоуль (кДж), мегаджоуль (МДж), кіловат (кВт), мегават (МВт), кіловат-годину (кВт-ч).
У промисловості до останнього часу за одиницю теплової енергії брали калорію (кал), за одиницю механічної роботи кілограм-силу-метр, або кілограмометрах (кгс · м), а за одиницю потужності-кілограмометрах в секунду (кгс · м / с). Так як ці одиниці дуже малі, то в якості практичних одиниць були прийняті кілокалорія (ккал), мегакалорія (Мкал), кінська сила (к. С.) І кіловат (кВт). Відповідними одиницями роботи (енергії) були прийняті кіловат-годину (кВт-ч), кінська сила-година (л. С. Ч.), А потужності – кілограмометрах в секунду (кгс-м / с).
Користуючись першим законом термодинаміки, можна визначити коефіцієнт корисної дії (К. П. Д.) теплосилових установок ηст, що характеризує ступінь досконалості перетворення ними теплоти в роботу.
К. п. Д. Може бути обчислений, якщо відомі витрата палива на 1 кВт-год і теплота згоряння палива, т. Е. Кількість теплоти, що виділяється при повному згорянні масової або об’ємної одиниці палива.
Аналітичний вираз першого закону термодинаміки або основне рівняння теплоти в диференціальної формі для будь-якого тіла
dQ = dU + dL,
де dQ – кількість теплоти, повідомлене ззовні робочому тілу масою М кг;
dU – зміна внутрішньої енергії робочого тіла;
dL – робота, здійснена робочим тілом з подолання зовнішнього тиску, «зовнішня робота» розширення.
Кожен з трьох членів цього рівняння може бути в залежності від характеру зміни стану позитивним, або негативним, або рівним нулю.
Для нескінченно малої зміни стану 1 кг будь-якого газу рівняння прийме наступний вигляд:
dq = du + dl.
Та як
dl = pdv,
то
dq = du + pdv.
Для кінцевого зміни стану рівняння відповідно мають вигляд
Q = ΔU+ L
та
q = Δu+ I
Робота розширення 1 кг газу
dl= pdv,
Зміна внутрішньої енергії ідеального газу для будь-якого процесу при нескінченно малій зміні стану (для I кг)
du=сvdt.
У теплотехнічних розрахунках зазвичай потрібно знати зміна внутрішньої енергії Δu, а не її абсолютное- значення; тому початок відліку (0 До або 0 ° С) для кінцевого результату (Δu) не має значення.
Інтегруючи рівняння в межах t1 – t2, отримуємо
Δu = cvm (t1 — t2),
де cvm — середня масова теплоємність при постійному обсязі в межах t1 — t2.
Таким чином, зміна внутрішньої енергії ідеального газу для будь-якого процесу дорівнює добутку середньої теплоємності при постійному обсязі на різницю температур газу.
