Pierwsze prawo termodynamiki mówi, że energii nie można stworzyć ani zniszczyć, ale można ją przekształcać z jednej postaci w inną. Jest to jedna z najważniejszych zasad fizyki i jednocześnie praktyczny opis zachowania energii. Oznacza to, że każdy proces fizyczny polega na przekazywaniu energii, jej zamianie albo rozproszeniu, a nie na jej „powstawaniu z niczego”.
W życiu codziennym bardzo dobrze widać to na prostych przykładach. Podczas ruchu organizmu ćwiczenie zmienia energię chemiczną zawartą w pożywieniu w energię mechaniczną i cieplną. W lampie energia elektryczna zamienia się w światło i ciepło, a spadający przedmiot przekształca energię potencjalna w energię kinetyczna (ruchu). Z kolei tarcie powoduje, że część energii ruchu przechodzi w ciepło.
W praktyce energia nie znika, ale może stać się trudna do ponownego wykorzystania. Dlatego w wielu procesach część energii „rozprasza się” w otoczeniu, najczęściej w postaci ciepła. Z tego powodu nie da się zbudować urządzenia, które działałoby bez dopływu energii z zewnątrz, czyli tzw. perpetuum mobile.
Jak brzmi pierwsze prawo termodynamiki?
Najczęściej zapisuje się je w postaci:
ΔU = Q - W
gdzie:
- ΔU — zmiana energii wewnętrznej układu,
- Q — ciepło dostarczone do układu,
- W — praca wykonana przez układ na otoczeniu.
Oznacza to, że gdy do układu doprowadzamy ciepło, jego energia wewnętrzna rośnie. Jeżeli układ sam wykonuje pracę, jego energia wewnętrzna maleje. Warto pamiętać, że w niektórych podręcznikach znak przy pracy może być zapisany inaczej, dlatego zawsze trzeba sprawdzić przyjętą konwencję.
Znaczenie energii w termodynamice
Prawo to pokazuje, że całkowita energia układu zmienia się tylko wtedy, gdy energia jest wymieniana z otoczeniem. W układzie zamkniętym, czyli takim, który nie wymienia materii z otoczeniem, energia może być przekazywana przede wszystkim w dwóch formach: jako ciepło i jako praca. Dzięki temu można analizować działanie silników, sprężarek, lodówek, turbin czy procesów zachodzących w organizmach żywych.
W klasycznej fizyce wyróżnia się różne postacie energii, takie jak energia kinetyczna, potencjalna, cieplna, chemiczna, elektryczna czy promienista. We współczesnej fizyce podkreśla się również równoważność masy i energii, dlatego masa może być traktowana jako szczególna postać energii. Dla większości zastosowań szkolnych i inżynierskich najważniejsze pozostaje jednak to, że energia nie ginie, lecz zmienia formę i może być przekazywana między obiektami oraz układami.
Właśnie dlatego pierwsze prawo termodynamiki stanowi fundament opisu wszystkich procesów energetycznych w przyrodzie i technice.
