Pierwsze prawo termodynamiki – definicja i zasada zachowania energii
Poznaj pierwsze prawo termodynamiki: definicję, zasadę zachowania energii i praktyczne przykłady przemian energii w fizyce.
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.
Historia
James Prescott Joule był pierwszą osobą, która eksperymentalnie odkryła, że ciepło i praca są zamienne.
Pierwsze wyraźne stwierdzenie pierwszego prawa termodynamiki zostało podane przez Rudolfa Clausiusa w 1850 roku: "Istnieje funkcja stanu E, zwana 'energią', której różniczka jest równa pracy wymienionej z otoczeniem podczas procesu adiabatycznego".
Termodynamika i inżynieria
W termodynamice i inżynierii naturalne jest myślenie o systemie jako o silniku cieplnym, który wykonuje pracę nad otoczeniem, i stwierdzenie, że całkowita energia dodana przez ogrzewanie jest równa sumie wzrostu energii wewnętrznej plus pracy wykonanej przez system. Stąd δ W {delta W} 
jest ilością energii traconej przez system z powodu pracy wykonanej przez system na jego otoczeniu. W tej części cyklutermodynamicznego, w której silnik wykonuje pracę, δ W {displaystyle \delta W} jest dodatnia, ale zawsze będzie część cyklu, w której δ W {displaystyle \delta W} jest ujemna, np. gdy gaz roboczy jest sprężany. Kiedy δ W {displaystyle \delta W} reprezentuje pracę wykonaną przez system, pierwsze prawo jest zapisane:
d U = δ Q - δ W {{displaystyle {d} U=delta Q - δ W {d} 
Ludzie nie zgadzają się co do tego, czy energia jest liczbą dodatnią czy ujemną. Tak więc δ Q {styl \delta Q} 
to przepływ ciepła z układu, a δ W {styl \delta W} to praca wykonana w układzie:
d U = - δ Q + δ W {{displaystyle {d} U=- δ Q + δ W {d} 
Z powodu tej niejednoznaczności bardzo ważne jest, aby w każdej dyskusji dotyczącej pierwszego prawa wyraźnie ustalić stosowaną konwencję znaków.
dU = zmiana energii wewnętrznej
Q = ciepło
W = praca
Powiązane strony
Pytania i odpowiedzi
P: Jaka jest pierwsza zasada termodynamiki?
O: Pierwsze prawo termodynamiki mówi, że energia nie może być ani tworzona, ani niszczona; może jedynie zmieniać się z jednej formy w drugą.
P: Czym jest zasada zachowania energii?
O: Zasada zachowania energii oznacza, że wszystko, co wykorzystuje energię, zmienia ją z jednego rodzaju na inny.
P: Czy perpetuum mobile może kiedykolwiek istnieć?
O: Nie, perpetuum mobile nigdy nie mogłoby istnieć, ponieważ złamałoby fundamentalne prawo fizyki, które mówi, że energia nie może być ani tworzona, ani niszczona.
P: Jakie są przykłady form energii w mechanice klasycznej?
O: Przykłady form energii w mechanice klasycznej obejmują ciepło, światło, energię kinetyczną (ruch) lub potencjalną.
P: Ile rodzajów energii występuje we współczesnej fizyce?
O: We współczesnej fizyce uważa się, że istnieją tylko dwa rodzaje energii - masa i energia kinetyczna, chociaż może to nie być pomocne dla osób niezaznajomionych z bardziej złożoną fizyką.
P: Czy całkowita energia wszechświata jest stała?
O: Tak, całkowita energia wszechświata (lub dowolnego układu zamkniętego) jest stała. Jednakże energia może być przenoszona z jednej części wszechświata do drugiej.
P: Jakie jest najczęstsze sformułowanie pierwszej zasady termodynamiki używane przez naukowców?
O: Najczęstszym sformułowaniem pierwszego prawa termodynamiki używanym przez naukowców jest to, że energii nie można stworzyć ani zniszczyć; można ją jedynie przenieść lub przekształcić z jednej formy w inną.
Przeszukaj encyklopedię