Notranjo energijo termodinamičnega sistema lahko spremenimo na dva načina:
- delo na sistemu
- skozi toplotno interakcijo.
Prenos toplote na telo ni povezan z izvajanjem makroskopskega dela na telesu. V tem primeru je sprememba notranje energije posledica dejstva, da posamezne molekule telesa z višjo temperaturo delujejo na nekatere molekule telesa, ki ima nižjo temperaturo. V tem primeru se toplotna interakcija realizira zaradi toplotne prevodnosti. Prenos energije je mogoč tudi s pomočjo sevanja. Sistem mikroskopskih procesov (ki se ne nanašajo na celotno telo, temveč na posamezne molekule) imenujemo prenos toplote. Količina energije, ki se zaradi prenosa toplote prenese z enega telesa na drugo, je določena s količino toplote, ki se prenese z enega telesa na drugo.
Opredelitev
toplina imenujemo energija, ki jo sprejme (ali odda) telo v procesu izmenjave toplote z okoliškimi telesi (okoljem). Toplota je običajno označena s črko Q.
To je ena izmed osnovnih veličin v termodinamiki. Toplota je vključena v matematične izraze prvega in drugega zakona termodinamike. Toplota naj bi bila energija v obliki molekularnega gibanja.
Toploto lahko sistemu (telesu) posredujemo ali pa mu jo odvzamemo. Verjame se, da je toplota pozitivna, če je sistemu dovedena toplota.
Formula za izračun toplote s spremembo temperature
Elementarna količina toplote je označena z. Upoštevajte, da element toplote, ki ga sistem prejme (odda) z majhno spremembo svojega stanja, ni popolna razlika. Razlog za to je, da je toplota funkcija procesa spreminjanja stanja sistema.
Osnovna količina toplote, ki se sporoči sistemu in se temperatura spremeni od T do T + dT, je:
kjer je C toplotna kapaciteta telesa. Če je obravnavano telo homogeno, lahko formulo (1) za količino toplote predstavimo kot:
kjer je specifična toplota telesa, m je masa telesa, je molska toplotna kapaciteta, je molska masa snovi, je število molov snovi.
Če je telo homogeno in se toplotna kapaciteta šteje za neodvisno od temperature, potem lahko količino toplote (), ki jo telo prejme, ko se njegova temperatura poveča za vrednost, izračunamo kot:
kjer je t 2 , t 1 telesna temperatura pred in po ogrevanju. Upoštevajte, da lahko pri iskanju razlike () v izračunih temperature zamenjate tako v stopinjah Celzija kot v kelvinih.
Formula za količino toplote med faznimi prehodi
Prehod iz ene faze snovi v drugo spremlja absorpcija ali sproščanje določene količine toplote, ki jo imenujemo toplota faznega prehoda.
Torej, za prenos elementa snovi iz trdnega stanja v tekočino, ga je treba obvestiti o količini toplote (), ki je enaka:
kjer je specifična talilna toplota, dm je element telesne mase. V tem primeru je treba upoštevati, da mora imeti telo temperaturo, ki je enaka tališču zadevne snovi. Pri kristalizaciji se sprošča toplota enaka (4).
Količino toplote (uparjalne toplote), potrebno za pretvorbo tekočine v paro, lahko najdete kot:
kjer je r specifična toplota uparjanja. Ko para kondenzira, se sprosti toplota. Toplota izparevanja je enaka toploti kondenzacije enakih mas snovi.
Enote za merjenje količine toplote
Osnovna enota za merjenje količine toplote v sistemu SI je: [Q]=J
Izvensistemska enota toplote, ki jo pogosto najdemo v tehničnih izračunih. [Q]=kal (kalorija). 1 cal = 4,1868 J.
Primeri reševanja problemov
Primer
telovadba. Kakšne količine vode je treba zmešati, da dobimo 200 litrov vode pri temperaturi t=40C, če je temperatura ene mase vode t 1 =10C, druge mase vode t 2 =60C?
rešitev. Enačbo toplotne bilance zapišemo v obliki:
kjer je Q=cmt - količina toplote, pripravljene po mešanju vode; Q 1 \u003d cm 1 t 1 - količina toplote dela vode s temperaturo t 1 in maso m 1; Q 2 \u003d cm 2 t 2 - količina toplote dela vode s temperaturo t 2 in maso m 2.
Enačba (1.1) pomeni:
Pri združevanju hladnega (V 1) in vročega (V 2) dela vode v eno prostornino (V) lahko sprejmemo, da:
Tako dobimo sistem enačb:
Če ga rešimo, dobimo:
Notranja energija telesa se lahko spremeni zaradi delovanja zunanjih sil. Za karakterizacijo spremembe notranje energije med prenosom toplote je uvedena količina, ki se imenuje količina toplote in jo označimo s Q.
V mednarodnem sistemu je enota za količino toplote, pa tudi za delo in energijo joule: = = = 1 J.
V praksi se včasih uporablja izvensistemska enota količine toplote - kalorija. 1 kal. = 4,2 J.
Opozoriti je treba, da je izraz "količina toplote" neposrečen. Uvedli so ga v času, ko je veljalo, da telesa vsebujejo neko breztežno, izmuzljivo tekočino – kalorično. Proces prenosa toplote naj bi bil sestavljen iz dejstva, da kalorij, ki se preliva iz enega telesa v drugega, nosi s seboj določeno količino toplote. Zdaj, ko poznamo osnove molekularno-kinetične teorije zgradbe snovi, razumemo, da v telesih ni kalorij, mehanizem za spreminjanje notranje energije telesa je drugačen. Vendar je moč tradicije velika in še naprej uporabljamo izraz, uveden na podlagi napačnih predstav o naravi toplote. Hkrati z razumevanjem narave prenosa toplote ne smemo popolnoma zanemariti napačnih predstav o tem. Nasprotno, z vlečenjem analogije med pretokom toplote in pretokom hipotetične tekočine kalorij, količino toplote in količino kalorij, je mogoče pri reševanju nekaterih razredov problemov vizualizirati potekajoče procese in pravilno rešiti težave. Na koncu so bile naenkrat na podlagi napačnih predstav o kaloriji kot nosilcu toplote pridobljene pravilne enačbe, ki opisujejo procese prenosa toplote.
Oglejmo si podrobneje procese, ki se lahko pojavijo kot posledica prenosa toplote.
V epruveto nalijemo nekaj vode in jo zapremo z zamaškom. Epruveto obesite na palico, pritrjeno na stojalo, in pod njo prižgite odprt ogenj. Od plamena dobi epruveta določeno količino toplote in temperatura tekočine v njej se dvigne. Z naraščanjem temperature se povečuje notranja energija tekočine. Obstaja intenziven proces njegovega izhlapevanja. Hlapi tekočine, ki se širijo, opravijo mehansko delo, da potisnejo zamašek iz cevi.
Izvedimo še poskus z modelom topa iz kosa medeninaste cevi, ki je nameščen na vozičku. Na eni strani je cev tesno zaprta z ebonitnim čepom, skozi katerega je napeljan žebljiček. Žice so spajkane na čep in cev ter se končajo s sponkami, ki jih je mogoče napajati iz omrežja za razsvetljavo. Model pištole je torej nekakšen električni kotel.
 |
V topovsko cev nalijte nekaj vode in cev zaprite z gumijastim zamaškom. Priključite pištolo na vir napajanja. Električni tok, ki teče skozi vodo, jo segreje. Voda vre, kar vodi do njenega intenzivnega izhlapevanja. Pritisk vodne pare se poveča in končno opravijo delo s potiskanjem zamaška iz puškove cevi.
Pištola se zaradi odsuna vrne nazaj v smer, nasprotno od izstrelitve plute.
Obe izkušnji združujejo naslednje okoliščine. V procesu segrevanja tekočine na različne načine se je temperatura tekočine in s tem njena notranja energija povečala. Da je tekočina vrela in intenzivno izhlapevala, jo je bilo potrebno nadaljevati s segrevanjem.
Hlapi tekočine so zaradi svoje notranje energije opravljali mehansko delo.
 |
Raziskujemo odvisnost količine toplote, potrebne za segrevanje telesa, od njegove mase, temperaturnih sprememb in vrste snovi. Za preučevanje teh odvisnosti bomo uporabili vodo in olje. (Za merjenje temperature v poskusu se uporablja električni termometer, sestavljen iz termočlena, ki je povezan z zrcalnim galvanometrom. En termočlenski spoj spustimo v posodo s hladno vodo, da zagotovimo konstantno temperaturo. Drugi termočlen meri temperaturo preučevane tekočine).
Doživetje je sestavljeno iz treh serij. V prvi seriji se za konstantno maso določene tekočine (v našem primeru vode) preučuje odvisnost količine toplote, potrebne za njeno segrevanje, od temperaturnih sprememb. Količino toplote, ki jo tekočina prejme od grelnika (električne peči), bomo presodili po času segrevanja, ob predpostavki, da je med njima neposredno sorazmerno razmerje. Da bi rezultat poskusa ustrezal tej predpostavki, je treba zagotoviti enakomeren pretok toplote od električnega štedilnika do ogrevanega telesa. Da bi to naredili, je bil električni štedilnik vnaprej priključen na omrežje, tako da se do začetka poskusa temperatura njegove površine ne bo več spreminjala. Za bolj enakomerno segrevanje tekočine med poskusom jo bomo mešali s pomočjo samega termočlena. Odčitke termometra bomo beležili v rednih intervalih, dokler svetlobna točka ne doseže roba skale.
Naj zaključimo: med količino toplote, ki je potrebna za ogrevanje telesa, in spremembo njegove temperature obstaja premosorazmerna povezava.
V drugi seriji poskusov bomo primerjali količino toplote, ki je potrebna za segrevanje enakih tekočin različnih mas, ko se njihova temperatura spremeni za enako količino.
Za lažjo primerjavo dobljenih vrednosti bo masa vode za drugi poskus vzeta dvakrat manj kot v prvem poskusu.
Ponovno bomo v rednih intervalih beležili odčitke termometra.
Če primerjamo rezultate prvega in drugega poskusa, lahko sklepamo naslednje.
V tretji seriji poskusov bomo primerjali količine toplote, potrebne za segrevanje enakih mas različnih tekočin, ko se njihova temperatura spremeni za enako količino.
Na električnem štedilniku bomo segreli olje, katerega masa je enaka masi vode v prvem poskusu. V rednih intervalih bomo beležili odčitke termometra.
Rezultat poskusa potrjuje ugotovitev, da je količina toplote, ki je potrebna za ogrevanje telesa, premosorazmerna s spremembo njegove temperature, poleg tega pa kaže na odvisnost te količine toplote od vrste snovi.
Ker je bilo v poskusu uporabljeno olje, katerega gostota je manjša od gostote vode in je bila za segrevanje olja na določeno temperaturo potrebna manjša količina toplote kot za segrevanje vode, lahko predpostavimo, da je količina toplote potrebna za ogrevanje telesa je odvisna od njegove gostote.
Za preverjanje te predpostavke bomo istočasno segrevali enake mase vode, parafina in bakra na grelniku konstantne moči.
Po istem času je temperatura bakra približno 10-krat, parafin pa približno 2-krat višja od temperature vode.
Toda baker ima večjo in parafin manjšo gostoto kot voda.
Izkušnje kažejo, da količina, ki označuje hitrost spreminjanja temperature snovi, iz katerih so sestavljena telesa, ki sodelujejo pri izmenjavi toplote, ni gostota. To količino imenujemo specifična toplotna kapaciteta snovi in jo označujemo s črko c.
 |
S posebno napravo primerjamo specifične toplotne kapacitete različnih snovi. Naprava je sestavljena iz stojal, v katerih je pritrjena tanka parafinska plošča in palica s palicami, ki so napeljane skozi njo. Na koncih palic so pritrjeni valji iz aluminija, jekla in medenine enake mase.
Valje segrejemo na isto temperaturo tako, da jih potopimo v posodo z vodo, ki stoji na segretem električnem štedilniku. Pritrdimo vroče jeklenke na stojala in jih sprostimo iz pritrdilnih elementov. Valji se istočasno dotaknejo parafinske plošče in se s taljenjem parafina začnejo potapljati vanj. Globina potopitve jeklenk enake mase v parafinsko ploščo, ko se njihova temperatura spremeni za enako količino, se izkaže za drugačno.
Izkušnje kažejo, da so specifične toplotne kapacitete aluminija, jekla in medenine različne.
Ko smo izvedli ustrezne poskuse s taljenjem trdnih snovi, uparjanjem tekočin in zgorevanjem goriva, dobimo naslednje kvantitativne odvisnosti.
Da bi dobili enote specifičnih količin, jih je treba izraziti iz ustreznih formul in v dobljene izraze nadomestiti enote toplote - 1 J, mase - 1 kg, za specifično toploto - in 1 K.
Dobimo enote: specifična toplotna kapaciteta - 1 J / kg K, druge specifične toplote: 1 J / kg.
V središču našega članka je količina toplote. Upoštevali bomo koncept notranje energije, ki se transformira, ko se ta vrednost spremeni. Pokazali bomo tudi nekaj primerov uporabe računanja v človekovi dejavnosti.
Toplota
S katero koli besedo maternega jezika ima vsaka oseba svoje asociacije. Določajo jih osebne izkušnje in iracionalni občutki. Kaj običajno predstavlja beseda "toplota"? Mehka odeja, delujoča baterija centralne kurjave pozimi, prvi sončni žarki spomladi, mačka. Ali mamin pogled, tolažilna beseda prijatelja, pravočasna pozornost.
Fiziki s tem razumejo zelo specifičen izraz. In zelo pomembno, zlasti v nekaterih delih te kompleksne, a fascinantne znanosti.
Termodinamika
Ni vredno upoštevati količine toplote ločeno od najpreprostejših procesov, na katerih temelji zakon o ohranjanju energije - nič ne bo jasno. Zato za začetek spomnimo naše bralce.
Termodinamika vsako stvar ali predmet obravnava kot kombinacijo zelo velikega števila elementarnih delov - atomov, ionov, molekul. Njegove enačbe opisujejo vsako spremembo skupnega stanja sistema kot celote in kot dela celote ob spreminjanju makro parametrov. Slednje razumemo kot temperaturo (označeno s T), tlak (P), koncentracijo komponent (običajno C).
Notranja energija
Notranja energija je precej zapleten izraz, katerega pomen je treba razumeti, preden govorimo o količini toplote. Označuje energijo, ki se spreminja s povečanjem ali zmanjšanjem vrednosti makro parametrov objekta in ni odvisna od referenčnega sistema. Je del celotne energije. Sovpada z njo v pogojih, ko središče mase preučevane stvari miruje (to pomeni, da ni kinetične komponente).
Ko človek začuti, da se je neki predmet (recimo kolo) segrel ali ohladil, to kaže, da so vse molekule in atomi, ki sestavljajo ta sistem, doživeli spremembo notranje energije. Vendar konstantnost temperature ne pomeni ohranjanja tega indikatorja.
Delo in toplina
Notranja energija katerega koli termodinamičnega sistema se lahko transformira na dva načina:
- z delom na njem;
- med izmenjavo toplote z okoljem.
Formula za ta postopek izgleda takole:
dU=Q-A, kjer je U notranja energija, Q je toplota, A je delo.
Naj bralca enostavnost izraza ne zavede. Permutacija pokaže, da je Q=dU+A, vendar uvedba entropije (S) pripelje formulo do oblike dQ=dSxT.
Ker ima v tem primeru enačba obliko diferencialne enačbe, prvi izraz zahteva isto. Nadalje, odvisno od sil, ki delujejo v preučevanem predmetu, in parametra, ki se izračuna, se izpelje potrebno razmerje.
Kot primer termodinamičnega sistema vzemimo kovinsko kroglo. Če nanj pritisnete, ga vržete gor, spustite v globok vodnjak, potem to pomeni, da delate na njem. Navzven vsa ta neškodljiva dejanja ne bodo povzročila nobene škode žogi, vendar se bo njena notranja energija spremenila, čeprav zelo malo.
Drugi način je prenos toplote. Zdaj smo pri glavnem cilju tega članka: opisu, kaj je količina toplote. To je takšna sprememba notranje energije termodinamičnega sistema, ki se pojavi med prenosom toplote (glej zgornjo formulo). Izmeri se v joulih ali kalorijah. Očitno je, da se bo žoga segrela, če jo držite nad vžigalnikom, na soncu ali preprosto v topli roki. In potem, s spreminjanjem temperature, lahko ugotovite količino toplote, ki mu je bila hkrati sporočena.
Zakaj je plin najboljši primer spremembe notranje energije in zakaj učenci zaradi njega ne marajo fizike
Zgoraj smo opisali spremembe termodinamičnih parametrov kovinske krogle. Brez posebnih pripomočkov niso zelo opazni in bralcu je prepuščeno besedo o procesih, ki se dogajajo s predmetom. Druga stvar je, če je sistem plin. Pritisnite nanj - videl se bo, segrejte - tlak se bo dvignil, znižajte ga pod zemljo - in to se da enostavno popraviti. Zato je v učbenikih plin najpogosteje vzet kot vizualni termodinamični sistem.
Toda, žal, v sodobnem izobraževanju se pravim eksperimentom ne posveča veliko pozornosti. Znanstvenik, ki piše metodološki priročnik, odlično razume, kaj je na kocki. Zdi se mu, da bo na primeru plinskih molekul ustrezno prikazal vse termodinamične parametre. Toda za študenta, ki šele odkriva ta svet, je dolgočasno poslušati o idealni bučki s teoretičnim batom. Če bi šola imela prave raziskovalne laboratorije in namenske ure za delo v njih, bi bilo vse drugače. Zaenkrat so poskusi žal le na papirju. In najverjetneje je to tisto, zaradi česar ljudje to vejo fizike obravnavajo kot nekaj čisto teoretičnega, daleč od življenja in nepotrebnega.
Zato smo se odločili, da kot primer damo že omenjeno kolo. Oseba pritiska na pedale - dela na njih. Poleg sporočanja navora celotnemu mehanizmu (zaradi katerega se kolo premika v prostoru) se spreminja notranja energija materialov, iz katerih so ročice izdelane. Kolesar potisne ročaje, da se obrne, in spet opravi delo.
Poveča se notranja energija zunanje prevleke (plastike ali kovine). Človek gre na jaso pod svetlim soncem - kolo se segreje, njegova količina toplote se spremeni. Ustavi se za počitek v senci starega hrasta in sistem se ohladi ter zapravlja kalorije ali joule. Poveča hitrost - poveča izmenjavo energije. Vendar bo izračun količine toplote v vseh teh primerih pokazal zelo majhno, neopazno vrednost. Zato se zdi, da v resničnem življenju ni manifestacij termodinamične fizike.
Uporaba izračunov za spremembe količine toplote
Verjetno bo bralec rekel, da je vse to zelo informativno, toda zakaj nas v šoli tako mučijo s temi formulami. In zdaj bomo navedli primere, na katerih področjih človekove dejavnosti so neposredno potrebni in kako to velja za vsakogar v njegovem vsakdanjem življenju.
Za začetek se ozrite okoli sebe in preštejte: koliko kovinskih predmetov vas obdaja? Verjetno več kot deset. Toda preden postane sponka za papir, voz, prstan ali bliskovni pogon, se katera koli kovina stopi. Vsaka tovarna, ki predeluje, recimo, železovo rudo, mora razumeti, koliko goriva je potrebno za optimizacijo stroškov. In pri izračunu tega je treba poznati toplotno kapaciteto kovinsko vsebujoče surovine in količino toplote, ki ji je treba predati, da lahko potekajo vsi tehnološki procesi. Ker se energija, ki jo sprosti enota goriva, izračuna v joulih ali kalorijah, so formule potrebne neposredno.
Ali drug primer: večina supermarketov ima oddelek z zamrznjenimi izdelki - ribami, mesom, sadjem. Kjer se surovine iz živalskega mesa ali morskih sadežev pretvorijo v polizdelke, morajo vedeti, koliko električne energije bodo hladilne in zamrzovalne enote porabile na tono ali enoto končnega izdelka. Za to bi morali izračunati, koliko toplote izgubi kilogram jagod ali lignjev, ko se ohladijo za eno stopinjo Celzija. In na koncu bo to pokazalo, koliko električne energije bo porabil zamrzovalnik določene kapacitete.
Letala, ladje, vlaki
Zgoraj smo prikazali primere razmeroma nepremičnih, statičnih objektov, ki se jim informira ali pa se jim, nasprotno, odvzame določena količina toplote. Za predmete, ki se premikajo v procesu delovanja v pogojih nenehno spreminjajoče se temperature, so izračuni količine toplote pomembni iz drugega razloga.
Obstaja nekaj takega kot "utrujenost kovin". Vključuje tudi največje dovoljene obremenitve pri določeni stopnji temperaturnih sprememb. Predstavljajte si letalo, ki vzleti iz vlažnih tropov v zmrznjeno zgornjo atmosfero. Inženirji se morajo zelo potruditi, da ne razpade zaradi razpok v kovini, ki nastanejo ob spremembi temperature. Iščejo sestavo zlitine, ki bo zdržala realne obremenitve in bo imela veliko varnostno rezervo. In da ne bi slepo iskali v upanju, da boste po naključju naleteli na želeno sestavo, morate narediti veliko izračunov, vključno s tistimi, ki vključujejo spremembe v količini toplote.
Proces prenosa energije z enega telesa na drugo brez opravljanja dela se imenuje izmenjava toplote oz prenos toplote. Prenos toplote poteka med telesi, ki imajo različne temperature. Ko se med telesi z različnimi temperaturami vzpostavi stik, se del notranje energije prenese s telesa z višjo temperaturo na telo z nižjo temperaturo. Energija, ki se prenese na telo zaradi prenosa toplote, se imenuje količino toplote.
Specifična toplotna kapaciteta snovi:
Če procesa prenosa toplote ne spremlja delo, potem je na podlagi prvega zakona termodinamike količina toplote enaka spremembi notranje energije telesa: .
Povprečna energija naključnega translacijskega gibanja molekul je sorazmerna z absolutno temperaturo. Sprememba notranje energije telesa je enaka algebraični vsoti sprememb energije vseh atomov oziroma molekul, katerih število je sorazmerno z maso telesa, zato sprememba notranje energije in posledično količina toplote je sorazmerna s spremembo mase in temperature:
Faktor sorazmernosti v tej enačbi se imenuje specifična toplotna kapaciteta snovi. Specifična toplotna kapaciteta pove, koliko toplote je potrebno, da se temperatura 1 kg snovi dvigne za 1 K.
Delo v termodinamiki:
V mehaniki je delo definirano kot zmnožek modulov sile in pomika ter kosinusa kota med njima. Delo je opravljeno, ko na gibajoče se telo deluje sila in je enako spremembi njegove kinetične energije.
V termodinamiki ne obravnavamo gibanja telesa kot celote, govorimo o gibanju delov makroskopskega telesa drug glede na drugega. Zaradi tega se prostornina telesa spremeni, njegova hitrost pa ostane enaka nič. Delo v termodinamiki je definirano na enak način kot v mehaniki, vendar je enako spremembi ne kinetične energije telesa, temveč njegove notranje energije.
Ko je delo opravljeno (stiskanje ali raztezanje), se notranja energija plina spremeni. Razlog za to je naslednji: pri elastičnih trkih molekul plina z gibajočim se batom se spreminja njihova kinetična energija.
Izračunajmo delo plina pri raztezanju. Plin deluje na bat s silo 
, Kje 
je tlak plina in 
- površina 
bat. Ko se plin širi, se bat premika v smeri sile 
za kratko razdaljo 
. Če je razdalja majhna, se tlak plina lahko šteje za konstanten. Delo plina je:
Kje 
- sprememba prostornine plina.
V procesu širjenja plina opravlja pozitivno delo, saj smer sile in premika sovpadata. V procesu širjenja plin oddaja energijo okoliškim telesom.
Delo zunanjih teles na plin se od dela plina razlikuje le po predznaku 
, ker moč 
ki deluje na plin je nasprotna sili 
, s katerim plin deluje na bat in mu je enak v absolutni vrednosti (tretji Newtonov zakon); in gibanje ostaja enako. Zato je delo zunanjih sil enako:
.
Prvi zakon termodinamike:
Prvi zakon termodinamike je zakon o ohranitvi energije, razširjen na toplotne pojave. Zakon o ohranjanju energije: energija v naravi ne nastane iz nič in ne izgine: količina energije je nespremenjena, le prehaja iz ene oblike v drugo.
V termodinamiki se upoštevajo telesa, katerih položaj težišča se praktično ne spreminja. Mehanska energija takšnih teles ostaja nespremenjena, spreminja pa se lahko le notranja energija.
Notranjo energijo lahko spreminjamo na dva načina: s prenosom toplote in delom. V splošnem primeru se notranja energija spreminja tako zaradi prenosa toplote kot zaradi opravljanja dela. Prvi zakon termodinamike je oblikovan prav za takšne splošne primere:
Sprememba notranje energije sistema med njegovim prehodom iz enega stanja v drugo je enaka vsoti dela zunanjih sil in količine toplote, prenesene na sistem:
Če je sistem izoliran, se na njem ne izvaja nobeno delo in ne izmenjuje toplote z okoliškimi telesi. Po prvem zakonu termodinamike notranja energija izoliranega sistema ostane nespremenjena.
Glede na to 
, lahko prvi zakon termodinamike zapišemo takole:
Količina toplote, ki se prenese v sistem, gre za spreminjanje njegove notranje energije in za opravljanje dela nad zunanjimi telesi s strani sistema.
Drugi zakon termodinamike: nemogoče je prenesti toploto iz hladnejšega sistema v bolj vročega brez drugih sočasnih sprememb v obeh sistemih ali v okoliških telesih.
Kaj se hitreje segreje na štedilniku - kotliček ali vedro vode? Odgovor je očiten - kotliček. Potem je drugo vprašanje zakaj?
Odgovor ni nič manj očiten - ker je masa vode v kotličku manjša. Super. In zdaj lahko najbolj pravo telesno izkušnjo doživite sami doma. Če želite to narediti, boste potrebovali dve enaki majhni ponvi, enako količino vode in rastlinskega olja, na primer pol litra vsakega in kuhalnik. Na isti ogenj pristavimo lonce z oljem in vodo. Zdaj pa le opazujte, kaj se bo hitreje segrelo. Če obstaja termometer za tekočine, ga lahko uporabite, če ne, lahko samo občasno poskusite temperaturo s prstom, le pazite, da se ne opečete. V vsakem primeru boste kmalu videli, da se olje segreje bistveno hitreje kot voda. In še eno vprašanje, ki ga je mogoče uresničiti tudi v obliki izkušenj. Katera voda hitreje zavre - topla ali hladna? Spet je vse očitno – prvi bo na koncu prišel topli. Zakaj vsa ta čudna vprašanja in poskusi? Da bi določili fizikalno količino, imenovano "količina toplote."
Količina toplote
Količina toplote je energija, ki jo telo izgubi ali pridobi pri prenosu toplote. To je jasno že iz imena. Pri ohlajanju bo telo izgubilo določeno količino toplote, pri segrevanju pa jo absorbiralo. In odgovori na naša vprašanja so nam pokazali od česa je odvisna količina toplote? Prvič, večja kot je masa telesa, večja je količina toplote, ki jo je treba porabiti, da se njegova temperatura spremeni za eno stopinjo. Drugič, količina toplote, ki je potrebna za ogrevanje telesa, je odvisna od snovi, iz katere je sestavljeno, to je od vrste snovi. In tretjič, za naše izračune je pomembna tudi razlika v telesni temperaturi pred in po prenosu toplote. Na podlagi zgoraj navedenega lahko določite količino toplote po formuli:
Q=cm(t_2-t_1) ,
kjer je Q količina toplote,
m - telesna teža,
(t_2-t_1) - razlika med začetno in končno telesno temperaturo,
c - specifična toplotna kapaciteta snovi, se ugotovi iz ustreznih tabel.
S to formulo lahko izračunate količino toplote, ki je potrebna za ogrevanje katerega koli telesa ali ki jo bo to telo sprostilo, ko se ohladi.
Količino toplote merimo v joulih (1 J), tako kot vsako drugo obliko energije. Vendar je bila ta vrednost uvedena ne tako dolgo nazaj in ljudje so začeli meriti količino toplote veliko prej. In uporabili so enoto, ki se v našem času pogosto uporablja - kalorijo (1 cal). 1 kalorija je količina toplote, ki je potrebna za dvig temperature 1 grama vode za 1 stopinjo Celzija. Na podlagi teh podatkov lahko ljubitelji štetja kalorij v hrani, ki jo zaužijejo, za zanimivost izračunajo, koliko litrov vode lahko zavrejo z energijo, ki jo čez dan zaužijejo s hrano.