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).
Период колебаний математического и физического маятников при малых амплитудах, определяется одним и тем же выражением: T = 2π√(L/g). Здесь L - длина маятника, g - ускорение свободного падения в том месте, где установлен маятник. Получается, что при неизменной длине период качания маятника зависит от ускорения свободного падения. Для небесных тел, форма которых сфера или близка к сфере g на их поверхности определяется по формуле g = G*M/R². Здесь G –гравитационная постоянная; M- масса небесного тела; R – средний радиус небесного тела. Таким образом, для Луны gл = G*Mл/Rл². Если массу и радиус Земли выразить через массу и радиус Луны, то gз = G 81Mл/(3,7Rл)². Теперь можно найти во сколько раз gз больше gл. gз/gл = G 81Mл/(3,7Rл)²/G*Mл/Rл² = 81/(3,7)² раза. Отсюда gл = gз*(3,7)²/81. Подставив это значение gл в формулу периода колебаний маятника на Луне будем иметь T = 2π√(L/gл) = 2π√{81L/gз(3,7)²} =(9/3,7)*2π√(L/gз). Так что, как видим, период колебаний маятника на Луне возрастет, т.к. величина 9/3,7 больше 1. И возрастет в 9/3,7 = 2,43243… раза.
