22.1 — 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.

ФГОС · 10 классФОП · базовый уровеньинтерактивная модель

внутренняя энергиятеплотаработа газаадиабата

Физическая картина

Что происходит и какие границы имеет модель.

Главная идея

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 рассуждатьСначала назовите систему и взаимодействия, затем выберите величины и только после этого записывайте закон. Формула работает в пределах допущений модели.

Законы и величины

Символы следует читать как связь величин, а не как рецепт подстановки.

\Delta U=Q-A_{\mathrm{газа}}

первый закон

A_{\mathrm{газа}}=p\Delta V

работа при постоянном давлении

Разбор ситуации

При адиабатном сжатии внешняя работа увеличивает внутреннюю энергию и температуру газа.

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.

Что нужно понимать

Результат 1Объяснять физический смысл темы «Первый закон термодинамики» через модель, а не только через формулу.

Результат 2Различать и корректно использовать термины: внутренняя энергия, теплота, работа газа.

Результат 3Указывать условия применимости закона, проверять единицы и предельные случаи.

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.

Происхождение и вывод формул

Фундаментальный закон нельзя «доказать» алгеброй: для каждой записи указано, является ли она определением, экспериментальным законом или следствием модели.

\Delta U=Q-A_{\mathrm{газа}}

постулат или модель

Первый закон. Ниже показано, из какого определения, опыта или закона возникает эта запись и где она применима.

Q=\Delta U+A_{\mathrm{газа}}

Закон сохранения энергии утверждает: полученная теплота идёт на изменение внутренней энергии и работу системы над окружением.

A_{\mathrm{над\ газом}}=-A_{\mathrm{газа}}

Работа внешних сил над газом противоположна по знаку работе газа.

\Delta U=Q-A_{\mathrm{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_{\mathrm{газа}}=p\Delta V

следствие модели

Работа при постоянном давлении. Ниже показано, из какого определения, опыта или закона возникает эта запись и где она применима.

F=pS

Газ с давлением p действует на поршень площади S силой pS.

A=F\Delta x=pS\Delta x

При постоянном давлении работа силы на перемещении поршня Δx равна FΔx.

\Delta V=S\Delta x\quad\Rightarrow\quad A=p\Delta 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 моделиНельзя 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 рассуждениеВ изохорном процессе газ не совершает работу расширения. Затем проверьте единицы, направление векторов и поведение результата при нулевом или очень большом параметре.

Вывод по теме

Первый закон термодинамики

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.