Какой фундаментальный закон лежит в основе первого закона термодинамики? Аргументируйте свой ответ.

В основе первого закона термодинамики лежит фундаментальный закон сохранения энергии: энергия не возникает из ничего и не исчезает бесследно, а только передаётся от одного тела к другому или превращается из одной формы в другую.

Для термодинамической системы этот закон обычно записывают так:

где $\Delta U$ — изменение внутренней энергии системы, $Q$ — количество теплоты, переданное системе, а $A$ — работа, совершённая системой над внешними телами. При другой договорённости о знаках формулу могут записывать как $\Delta U = Q + A$, если $A$ обозначает работу, совершённую над системой.

Смысл закона состоит в следующем. Если система получает тепло, эта энергия не пропадает: она либо увеличивает внутреннюю энергию системы, например повышает температуру или изменяет её состояние, либо расходуется на совершение работы. И наоборот, если система совершает работу без получения теплоты извне, её внутренняя энергия уменьшается.

Например, при нагревании газа в цилиндре часть полученной энергии увеличивает хаотическое движение молекул, то есть внутреннюю энергию газа, а часть может быть затрачена на перемещение поршня. Полный энергетический баланс при этом сохраняется.

Особенно ясно связь с законом сохранения энергии проявляется для изолированной системы. Такая система не обменивается с окружающей средой ни теплотой, ни работой, поэтому:

Следовательно, внутренняя энергия изолированной системы остаётся постоянной.

Первый закон термодинамики также исключает возможность создания вечного двигателя первого рода — устройства, которое совершало бы работу без получения соответствующего количества энергии. Такое устройство нарушало бы закон сохранения энергии, поэтому его существование невозможно.