Для описания этих изменений вводят функцию состояния - внутреннюю энергию U и две функции перехода - теплоту Q и работу A. Математическая формулировка первого закона:
dU = Q - A (дифференциальная форма) (2.1)
U = Q - A (интегральная форма) (2.2)
Буква в уравнении (2.1) отражает тот факт, что Q и A - функции перехода и их бесконечно малое изменение не является полным дифференциалом.
В уравнениях (2.1) и (2.2) знаки теплоты и работы выбраны следующим образом. Теплота считается положительной, если она передается системе. Напротив, работа считается положительной, если она совершается системой над окружающей средой.
Существуют разные виды работы: механическая, электрическая, магнитная, поверхностная и др. Бесконечно малую работу любого вида можно представить как произведение обобщенной силы на приращение обобщенной координаты, например:
Aмех = p. dV; Aэл = . dе; Aпов = . dW (2.3)
( - электрический потенциал, e - заряд, - поверхностное натяжение, W - площадь поверхности). С учетом (2.3), дифференциальное выражение первого закона можно представить в виде:
dU = Q - p. dV Aнемех (2.4)
В дальнейшем изложении немеханическими видами работы мы будем, по умолчанию, пренебрегать.
Механическую работу, производимую при расширении против внешнего давления pex, рассчитывают по формуле:
A = (2.5)
Если процесс расширения обратим, то внешнее давление отличается от давления системы (например, газа) на бесконечно малую величину: pex = pin - dp и в формулу (2.5) можно подставлять давление самой системы, которое определяется по уравнению состояния.
Проще всего рассчитывать работу, совершаемую идеальным газом, для которого известно уравнение состояния p = nRT / V (табл. 1).
Объективом проекционного прибора служит тонкая линза с фокусным расстоянием 10 см. Изображение предмета получено на расстоянии 24мм. см от объекта. На какое расстояние переместится изображение, если предмет отодвинуть еще на 21 мм от объектива? Условие: F = 24 мм; f = 21мм см; Δd = 20 см; Определить Δ f - ?Решение. Используем формулу линзы: 1/F = 1/d +1/f ; Определяем, на каком расстоянии находится предмет d = fF/(f –F); Вычисляем (можно и в см): d = 24*21/(24 -21) = 168(мм); Теперь, применяя всё ту же формулу линзы, находим, на каком расстоянии будет изображение, если предмет расположим на расстоянии ; d + Δd = 168 + 20 = 188 (мм); f = dF/(d – F); f = 24*21/(24– 21) = 168мм. Находим, на какое расстояние передвинулось изображение: Δ f = f (2) – f (1) =