Prvi zakon termodinamike — definicija in zakon ohranjanja energije
Prvi zakon termodinamike: definicija in primeri ohranjanja energije — kako energija prehaja med oblikami, praktični primeri in jasne razlage za vsakogar.
Prvi zakon termodinamike pravi, da energije ni mogoče ustvariti ali uničiti, lahko pa jo spreminjamo. Ta zakon je podlaga za načelo ohranjanja energije. To pomeni, da vsaka sprememba v sistemu vključuje pretvorbo energije iz ene oblike v drugo ali prenos energije med sistemi. Na primer pri telovadbi se energija iz hrane spremeni v kemično in nato v gibalno, torej v kinetično energijo. Energija ne nastane iz nič in ne izgine — ne moremo ustvariti perpetuum mobile, saj bi to kršilo temeljne zakone termodinamike. Energija le spreminja svojo obliko, kar človek izkorišča za opravljanje koristnega dela.
Primeri oblik energije v klasični fiziki so toplota, svetloba, kinetična (gibalna) in potencialna energija. V okviru teorije relativnosti pa se masa in energija povežeta prek enačbe E = mc², kar pomeni, da je treba pri ohranitvi energije upoštevati tudi ekvivalenco mase in energije v zaprtih sistemih z jedrskimi ali relativističnimi procesi.
Zakon pomeni, da je skupna energija zaprtega sistema konstantna, če ne pride do izmenjave energije z okolico. Energija se lahko prenaša iz enega dela sistema v drugega ali med sistemom in okolico v obliki toplote ali dela.
Matematična oblika
Najpogostejša formulacija prvega zakona termodinamike, ki jo uporabljajo znanstveniki, je matematična zveza med spremembo notranje energije, toploto in delom:
- ΔU = Q − W — kjer je ΔU sprememba notranje energije sistema, Q toplota, ki jo sistem prejme, in W delo, ki ga sistem opravi na okolico. To je pogosta konvencija v fiziki (W = delo, ki ga opravi sistem).
- V nekaterih virih in pri nekaterih področjih (npr. kemija) se uporablja alternativa ΔU = Q + W, kjer je W delo, opravljeno na sistem (torej z nasprotnim predznakom glede na prejšnjo konvencijo). Pomembno je zato vedno preveriti uporabljeno znakovno konvencijo.
Tu je pomen simbolov:
- U — notranja energija sistema (vključuje mikroskopske kinetične in potencialne energije delcev, vezne energije ipd.).
- Q — toplota, energija prenesena zaradi temperaturne razlike med sistemom in okolico.
- W — delo, običajno mehansko delo (npr. delo plina pri širjenju proti zunanjemu tlaku) ali drugo makroskopsko delo.
Pomen in praktični primeri
- V zaprtem cilindru s batom: če segrevamo plin (Q > 0), se lahko plin širi in opravi delo na bat (W > 0), zato se notranja energija spremeni glede na formulo izbrane konvencije.
- Pri izotermnem procesu za idealni plin je ΔU = 0, torej velja Q = W (ali Q = −W, odvisno od konvencije).
- V kalorimetriji merimo Q, da ugotovimo spremembe notranje energije kemičnih reakcij.
- V vsakdanjem življenju: hrana → kemična energija → mehansko delo pri gibanju telesa; v motorjih se kemična energija pretvori v delo in toploto.
Posebni primeri in razširitve
- Adiabatski proces: Q = 0, zato je ΔU = −W (po konvenciji, da je W delo, ki ga opravi sistem) — v takih procesih se spremembe energije vršijo le z delom.
- Izochorni proces: volumen je konstanten, zato W = 0 in ΔU = Q — v eksperimentih, kjer volumen ne spremeni, vsa pritečena toplota spremeni notranjo energijo.
- Izobarični in izotermni procesi imajo svoje posebne zveze med Q, W in ΔU (npr. pri idealnem plinu pri izotermnem procesu ΔU = 0).
- Za odprte sisteme, kjer prihaja do pretoka mase, je treba prištevat tudi energijo, ki jo prenaša vnos/odnos mase (upoštevamo entalpijo, pretoke in druge členke). V inženirstvu se uporabljajo razširjene oblike prvega zakona za tokovne sisteme.
Prvi zakon torej izraža univerzalno ohranitveno načelo za energijo (vključno z maso kot obliko energije v relativističnem smislu). V kombinaciji z drugim zakonom termodinamike določa, katera pretvorba energije je mogoča in kako učinkovita je — zato je ključen za razumevanje motorjev, hladilnikov, procesov v naravi in tehniki.
Zgodovina
James Prescott Joule je bil prvi, ki je s poskusi ugotovil, da sta toplota in delo zamenljiva.
Prvi izrecni zakon termodinamike je leta 1850 izrekel Rudolf Clausius: "Obstaja funkcija stanja E, imenovana 'energija', katere diferencial je enak delu, ki se izmenja z okolico med adiabatnim procesom."
Termodinamika in inženiring
V termodinamiki in inženirstvu je naravno, da si sistem predstavljamo kot toplotni motor, ki opravlja delo z okolico, in trdimo, da je skupna energija, dodana s segrevanjem, enaka vsoti povečanja notranje energije in dela, ki ga opravi sistem. Zato je δ W {\displaystyle \delta W} 
količina energije, ki jo sistem izgubi zaradi dela, ki ga sistem opravi na svoji okolici. V delu termodinamičnegacikla, ko motor opravlja delo, je δ W {\displaystyle \delta W} pozitiven, vendar bo vedno obstajal del cikla, ko bo δ W {\displaystyle \delta W} negativen, npr. ko se delovni plin stiska. Ko δ W {\displaystyle \delta W} predstavlja delo, ki ga opravi sistem, zapišemo prvi zakon:
d U = δ Q - δ W {\displaystyle \mathrm {d} U=\delta Q-\delta W\,} 
Ljudje se ne strinjajo, ali je energija pozitivno ali negativno število. Torej je δ Q {\displaystyle \delta Q} 
tok toplote iz sistema, δ W {\displaystyle \delta W} pa delo v sistem:
d U = - δ Q + δ W {\displaystyle \mathrm {d} U=-\delta Q+\delta W\,} 
Zaradi te dvoumnosti je zelo pomembno, da se v vsaki razpravi, ki vključuje prvi zakon, izrecno določi uporabljena konvencija o znakih.
dU = sprememba notranje energije
Q = toplota
W = delo
Sorodne strani
Vprašanja in odgovori
V: Kaj je prvi zakon termodinamike?
O: Prvi zakon termodinamike pravi, da energije ne moremo niti ustvariti niti uničiti; lahko se le spreminja iz ene oblike v drugo.
V: Kaj je načelo ohranjanja energije?
O: Načelo ohranitve energije pomeni, da vse, kar uporablja energijo, spreminja energijo iz ene vrste energije v drugo.
V: Ali lahko kdaj obstajajo večni stroji?
O: Ne, perpetuum mobile ne morejo nikoli obstajati, ker bi s tem kršili temeljni zakon fizike, ki pravi, da energije ni mogoče ne ustvariti ne uničiti.
V: Kateri so primeri oblik energije v klasični mehaniki?
O: Primeri oblik energije v klasični mehaniki so toplota, svetloba, kinetična (gibalna) ali potencialna energija.
V: Koliko vrst energije poznamo v sodobni fiziki?
O: V sodobni fiziki velja, da obstajata le dve vrsti energije - masa in kinetična energija, čeprav to morda ne bo v pomoč tistim, ki ne poznajo kompleksnejše fizike.
V: Ali je skupna energija vesolja konstantna?
O: Da, skupna energija vesolja (ali katerega koli zaprtega sistema) je konstanta. Vendar se energija lahko prenaša iz enega dela vesolja v drugega.
V: Katero je najpogostejše besedilo prvega zakona termodinamike, ki ga uporabljajo znanstveniki?
O: Najpogostejša formulacija prvega zakona termodinamike, ki jo uporabljajo znanstveniki, je, da energije ni mogoče ustvariti ali uničiti; lahko jo le prenesemo ali pretvorimo iz ene oblike v drugo.
Iskati