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.
