Pirmasis termodinamikos dėsnis – energijos išsaugojimo apibrėžimas
Pirmasis termodinamikos dėsnis teigia, kad energijos negalima sukurti ar sunaikinti, tačiau ją galima keisti. Šis dėsnis grindžia energijos išsaugojimo principą: visi procesai, kuriuose vyksta energijos apykaita, tik keičia energijos formas. Pavyzdžiui, mankštinantis maisto cheminė energija virsta kinetine (judesio) energija ir šiluma. Energija niekur neišnyksta ir niekur neatsiranda iš niekur — ji tik persiskirsto ir keičia formą. Todėl bet koks teiginys apie „amžinąjį judėjimą“, kuris duotų nemokamą energiją iš nieko, prieštarauja pirmajam termodinamikos dėsnio principui.
Klasikinėje mechanikoje dažnos energijos formos yra šiluma, šviesa, kinetinė (judėjimo) ir potencinė energija. Modernioji fizika šias formas suvienija platesnėmis sampratomis — pavyzdžiui, reliatyvumo teorija rodo, kad masė yra energijos forma (E = mc2), todėl energija gali pasireikšti įvairiais būdais ir būti saugoma skirtinguose „nešikliuose“ (judesio, vidinėje, lauko ar cheminėje energijoje).
Šis dėsnis reiškia, kad bendras uždaros (izoliuotos) sistemos energijos kiekis yra pastovus, nors energija gali būti perduodama tarp sistemos ir aplinkos arba transformuojama iš vienos formos į kitą.
Dažniausiai mokslininkų vartojama pirmojo termodinamikos dėsnio formuluotė yra tokia:
Matematinė formuluotė ir paaiškinimas
Uždarai sistemai (nekinta masė) pirmasis dėsnis dažnai rašomas diferencialine forma:
dU = δQ − δW
čia
- dU — sistemos vidinės energijos pokytis (Jouliais),
- δQ — į sistemą tiekiama šiluma (teigiamas, jei šiluma pridedama prie sistemos),
- δW — darbas, kurį sistema atlieka aplinkai (teigiamas, jei sistema atlieka darbą).
Pagal šią konvenciją, jei sistema gauna šilumos Q ir atlieka darbą W, jos vidinė energija padidėja ΔU = Q − W. Kai kurie vadovėliai naudoja priešingą darbo ženklų konvenciją (darbas, atliekamas aplinkai, žymimas neigiamai); svarbu nurodyti, kuri konvencija taikoma.
Atviri procesai ir entalpija
Tais atvejais, kai sistema keičia masę (pvz., srautas pro vamzdį, variklis su įsiurbimu ir išmetimu), reikia įtraukti energetinius srautus, susijusius su masės perdavimu. Dažnai naudojama entalpijos sąvoka H = U + pV, ir energijos balansai rašomi taip, kad įtrauktų šilumos, darbo ir masės srauto energijas (kinetinę, potencialią ir entalpiją) per įtekėjimus ir ištekėjimus.
Pavyzdžiai praktiškai
- Šildant orą uždaroje talpoje su fiksuotu tūriu: jei į talpą tiekiama šiluma Q ir sistema neatlieka išorinio darbo (W = 0), tada vidinė energija padidėja ΔU = Q.
- Stūmoklinio variklio cikle: dalis degimo energijos virsta darbo (stumtuko judesys), dalis — šiluma. Maksimalus galimas darbas ribojamas ne tik pirmuoju dėsniu (energija), bet ir antruoju dėsniu (entropija/efektyvumas).
- Žmogaus organizme: cheminė maisto energija praturtina vidinę energiją ir virsta mechaniniu darbu bei šiluma; energijos balansas lemia, ar organizmas priauga svorio (kaupia energiją), ar jos netenka.
Apribojimai ir sąryšis su kitais principais
Pirmasis termodinamikos dėsnis riboja energetinę apskaitą — jis sako, kad energija turi būti išsaugota. Tačiau jis neatsako, ar tam tikras procesas bus savaimingas arba kaip efektyviai gali vykti transformacija. Procesų kryptį ir galimus efektyvumo limitus apibrėžia antrasis termodinamikos dėsnis (entropijos dėsnis). Pirmasis dėsnis taip pat uždraudžia pirmos rūšies amžinąją judesį (perpetual motion machine of the first kind) — prietaiso, kuris atliktų darbą be energijos įnašo.
Kilmė ir matavimo vienetai
Energija termodinamikoje matuojama Joulais (J). Pirmasis dėsnis yra tiesiogiai susijęs su bendresniu energijos išsaugojimo principu fizikoje, įtraukiant mechaninę, cheminę, elektromagnetinę ir reliatyvistinę perspektyvas (masės ir energijos ekvivalentiškumą).
Santrauka
Pirmasis termodinamikos dėsnis — tai energijos išsaugojimo formulė termodinaminėse sistemose: energija gali keistis formomis ir persiskirstyti tarp sistemos ir aplinkos, bet bendras energijos kiekis uždaroje sistemoje išlieka pastovus. Norint suprasti proceso galimumą, kryptį ir efektyvumą, reikia kartu taikyti ir antrąjį dėsnį bei kitas fizikos sąvokas.
Istorija
Jamesas Prescottas Joule'is pirmasis eksperimentais nustatė, kad šiluma ir darbas yra konvertuojami.
Pirmąjį aiškų pirmąjį termodinamikos dėsnį 1850 m. pateikė Rudolfas Klauzius (Rudolf Clausius): "Egzistuoja būsenos funkcija E, vadinama "energija", kurios diferencialas lygus darbui, atliekamam su aplinka vykstant adiabatiniam procesui".
Termodinamika ir inžinerija
Termodinamikoje ir inžinerijoje natūralu sistemą laikyti šilumos varikliu, kuris atlieka darbą su aplinka, ir teigti, kad bendra energija, pridėta šildant, yra lygi vidinės energijos padidėjimo ir sistemos atlikto darbo sumai. Taigi δ W {\displaystyle \delta W} 
- tai energijos kiekis, kurį sistema praranda dėl jos atlikto darbo su aplinka. Per tą termodinaminiociklo dalį, kai variklis atlieka darbą, δ W {\displaystyle \delta W} yra teigiama, tačiau visada bus ciklo dalis, kai δ W {\displaystyle \delta W} bus neigiama, pavyzdžiui, kai darbinės dujos yra suspaudžiamos. Kai δ W {\displaystyle \delta W} yra sistemos atliktas darbas, pirmasis dėsnis užrašomas taip:
d U = δ Q - δ W {\displaystyle \mathrm {d} U=\delta Q-\delta W\,} 
Žmonės nesutaria, ar energija yra teigiamas, ar neigiamas skaičius. Taigi δ Q {\displaystyle \delta Q} 
yra šilumos srautas iš sistemos, o δ W {\displaystyle \delta W} yra darbas į sistemą:
d U = - δ Q + δ W {\displaystyle \mathrm {d} U=-\delta Q+\delta W\,} 
Dėl šio dviprasmiškumo labai svarbu bet kokioje diskusijoje, susijusioje su pirmuoju dėsniu, aiškiai nustatyti naudojamą ženklų konvenciją.
dU = vidinės energijos pokytis
Q = šiluma
W = darbas
Susiję puslapiai
Klausimai ir atsakymai
K: Koks yra pirmasis termodinamikos dėsnis?
Atsakymas: Pirmasis termodinamikos dėsnis teigia, kad energija negali būti nei sukurta, nei sunaikinta; ji gali tik pereiti iš vieno pavidalo į kitą.
K: Koks yra energijos išsaugojimo principas?
A: Energijos išsaugojimo principas reiškia, kad bet kas, kas naudoja energiją, keičia energiją iš vienos energijos rūšies į kitą.
Klausimas: Ar gali kada nors egzistuoti amžinosios mašinos?
Atsakymas: Ne, amžinojo judėjimo mašinos niekada negalėtų egzistuoti, nes tai pažeistų pagrindinį fizikos dėsnį, kuris teigia, kad energijos negalima nei sukurti, nei sunaikinti.
K: Kokie yra energijos formų pavyzdžiai klasikinėje mechanikoje?
A: Klasikinėje mechanikoje energijos formų pavyzdžiai yra šiluma, šviesa, kinetinė (judėjimo) arba potencinė energija.
K: Kiek energijos rūšių yra šiuolaikinėje fizikoje?
A: Šiuolaikinėje fizikoje laikoma, kad yra tik dvi energijos rūšys - masė ir kinetinė energija, nors tai gali būti nenaudinga tiems, kurie nėra susipažinę su sudėtingesne fizika.
K: Ar bendra visatos energija yra pastovi?
Atsakymas: Taip, visatos (arba bet kurios uždaros sistemos) bendroji energija yra pastovi. Tačiau energija gali būti perduodama iš vienos visatos dalies į kitą.
K: Kokią pirmojo termodinamikos dėsnio formuluotę dažniausiai vartoja mokslininkai?
A: Dažniausiai mokslininkų vartojama pirmojo termodinamikos dėsnio formuluotė yra ta, kad energija negali būti sukurta ar sunaikinta; ji gali būti tik perduodama arba paverčiama iš vienos formos į kitą.
