Pierwsza zasada termodynamiki - Polski Serwis Naukowy

Pierwsza zasada termodynamiki – jedno z podstawowych praw termodynamiki, jest sformułowaniem zasady zachowania energii dla układów termodynamicznych. Zasada stanowi podsumowanie równoważności ciepła i pracy oraz stałości energii układu izolowanego.

Dla układu zamkniętego (nie wymienia masy z otoczeniem, może wymieniać energię) zasadę można sformułować w postaci: Zmiana energii wewnętrznej układu zamkniętego jest równa energii, która przepływa przez jego granice na sposób ciepła lub pracy. $\Delta U = Q + W \,$

gdzie:

Perpetuum mobile (z łac. wiecznie ruchome) – hipotetyczna maszyna, której zasada działania, wbrew znanym prawom fizyki, umożliwiałaby jej pracę w nieskończoność.

Trzecia zasada termodynamiki (zasada Nernsta) może być sformułowana jako postulat: nie można za pomocą skończonej liczby kroków uzyskać temperatury zera bezwzględnego (zero kelwinów), jeżeli za punkt wyjścia obierzemy niezerową temperaturę bezwzględną.

$\Delta U$ – zmiana energii wewnętrznej układu, $Q$ – energia przekazana do układu jako ciepło, $W$ – praca wykonana na układzie.

W powyższym sformułowaniu przyjmuje się konwencję, że gdy:

$W > 0$ – do układu przepływa energia na sposób pracy,

$W< 0$ – układ traci energię na sposób pracy,

$Q > 0$ – do układu przepływa energia na sposób ciepła,

$Q < 0$ – układ traci energię na sposób ciepła.

W przypadku układu termodynamicznie izolowanego układ nie wymienia energii z otoczeniem na sposób pracy (W = 0), ani na sposób ciepła (Q = 0), wówczas:

Julius Robert von Mayer - (ur. 25 listopada 1814, zm. 20 marca 1878) - niemiecki lekarz i fizyk. W 1842 roku przebywając w okolicach Jawy sformułował zasadę zachowania energii używając jej do uzasadnienia przemiany materii w organizmach żywych. Określił również mechaniczny równoważnik ciepła. Odkrycie to nie znalazło zrozumienia, co spowodowało u Mayera próbę samobójczą. Jej efektem było trwałe kalectwo. Odkrycie Mayera uznano dopiero po jego śmierci.

Układ termodynamicznie zamknięty (układ termodynamiczny półzamknięty) – taki układ termodynamiczny, który nie wymienia z otoczeniem materii, natomiast może wymieniać energię.

$\Delta U = 0 \,$

Tło historyczne

Niezależne od siebie rozważania i obserwacje Juliusa Mayera (1842) oraz eksperymenty Jamesa Joule'a (1843) doprowadziły do sformułowania I zasady termodynamiki w obecnej postaci. Wcześniej ciepło było traktowane jako zupełnie odrębna wielkość fizyczna. Uznanie ciepła jako innego niż praca sposobu zmiany energii doprowadziło w naturalny sposób do włączenia ciepła, jako formy przekazywania energii, do zasady zachowania energii.

Układ termodynamicznie izolowany (układ termodynamiczny odosobniony) – układ termodynamiczny, który nie wymienia z otoczeniem ani materii, ani energii.

Układ termodynamiczny to dowolnie wybrana część wszechświata, której zachowanie jest rozpatrywane na podstawie zasad termodynamiki. Pozostały świat to Otoczenie termodynamiczne.

Energia wewnętrzna jako funkcja stanu

Pierwsza zasada termodynamiki pozwala na zdefiniowanie energii wewnętrznej jako funkcji stanu:

Dla wszystkich procesów prowadzących od pewnego określonego stanu do drugiego zmiana ΔU ma zawsze tę samą wartość, choć ilości dostarczanego ciepła i pracy wykonanej przez układ są na ogół różne dla różnych procesów.

Często wygodniej jest skupić się na rozpatrywanym układzie; energii wewnętrznej (U), energii cieplnej dopływającej do układu (Q) i pracy wykonanej przez układ (W). W warunkach nieskończenie małych przyrostów pierwsza zasada termodynamiki jest wyrażona następująco:

Warszawa (miasto stołeczne Warszawa) (wymowa ?/i) – stolica i największe miasto Polski, położone w środkowo-wschodniej części kraju, na Mazowszu nad Wisłą.

Termodynamika - nauka o energii, dział fizyki zajmujący się badaniem energetycznych efektów wszelkich przemian fizycznych i chemicznych, które wpływają na zmiany energii wewnętrznej analizowanych układów. Wbrew rozpowszechnionym sądom termodynamika nie zajmuje się wyłącznie przemianami cieplnymi, lecz także efektami energetycznymi reakcji chemicznych, przemian z udziałem jonów, przemianami fazowymi, a nawet przemianami jądrowymi i energią elektryczną.

$\mathrm{d}U=\delta Q-\delta W\,$

gdzie δQ i δW są różniczkami niezupełnymi, tj. zależnymi od drogi; dU zaś jest różniczką zupełną, tj. niezależną od sposobu przebiegu procesu.

Alternatywne sformułowanie

Wprowadzając pojęcie perpetuum mobile, czyli maszyny wykonującej dowolnie długo pracę bez pobierania energii z zewnątrz, można sformułować pierwszą zasadę termodynamiki w następujący sposób: Nie istnieje perpetuum mobile pierwszego rodzaju.

Przypisy

Peter William Atkins: Chemia fizyczna. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 2001, s. 124. ISBN ISBN 83-01-13502-6.
Użycie oznaczeń ΔQ i ΔW, przy rozumieniu delty jako symbolu zmiany (przyrostu) jest niepoprawne, gdyż nie istnieje ustalona wartość ciepła "przed procesem" i "po procesie", tak samo z pracą. Innymi słowy ciepło i praca nie są funkcjami stanu gazu, nie istnieją ich określone wartości w danym stanie, jak to jest w przypadku energii wewnętrznej. W zapisie różniczkowym odróżnia się dU jako różniczkę zupełną od małych porcji ciepła i pracy poprzez stosowanie dla nich oznaczeń odpowiednio đQ i đW (forma Pfaffa).
Tablice Fizyczno-Astronomiczne. pod redakcją Witolda Mizierskiego. Warszawa: Adamantan, 2002. ISBN 83-7350-011-1.

Zobacz też

termodynamika

różniczka niezupełna

zerowa zasada termodynamiki

druga zasada termodynamiki

trzecia zasada termodynamiki

czwarta zasada termodynamiki