Pierwsza zasada termodynamiki

istnienie i zachowanie energii wewnętrznej

Pierwsza zasada termodynamiki – jedno z podstawowych praw termodynamiki, jest sformułowaniem zasady zachowania energii dla układów termodynamicznych[1]. Zasada stanowi podsumowanie równoważności ciepła i pracy oraz stałości energii układu izolowanego[2][3].

Układ izolowany edytuj

Dla układów izolowanych, treść I zasady termodynamiki można przedstawić za jako:

 

stąd:

 

Jest tak dlatego, że układ izolowany nie wymienia z otoczeniem energii ani w postaci ciepła, ani w postaci pracy.

Układ zamknięty, nieizolowany edytuj

Dla układów zamkniętych, lecz nieizolowanych, treść I zasady termodynamiki można przedstawić jako:

 

gdzie:

  – zmiana energii wewnętrznej układu,
 energia wymieniona między układem a otoczeniem w postaci ciepła,
  – energia wymieniona między układem a otoczeniem w postaci pracy.

Zmiana energii wewnętrznej układu w elementarnie, granicznie małym procesie może być dana jako:

 

gdzie:

  – zmiana energii wewnętrznej układu w elementarnie, granicznie małym procesie,
 energia wymieniona między układem a otoczeniem w postaci ciepła w elementarnie, granicznie małym procesie,
  – energia wymieniona między układem a otoczeniem w postaci pracy w elementarnie, granicznie małym procesie.

W powyższym sformułowaniu przyjmuje się konwencję, że gdy:

  •   – do układu przepływa energia na sposób pracy,
  •   – układ traci energię na sposób pracy,
  •   – do układu przepływa energia na sposób ciepła,
  •   – układ traci energię na sposób ciepła.

Tło historyczne edytuj

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 (teoria cieplika). Uznanie ciepła jako innego niż praca sposobu zmiany energii doprowadziło w naturalny sposób do włączenia ciepła, jako formy przekazywania energii, do zasady zachowania energii.

Energia wewnętrzna jako funkcja stanu edytuj

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

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

W termodynamice kwantowej, jeżeli   (dla  ) jest wartością średnią operatora hamiltonianu   równą energii wewnętrznej   a   jest prawdopodobieństwem tego, że układ będzie w stanie kwantowym   o energii   to przy oznaczeniu   pierwszą zasadę termodynamiki można zapisać[4]:

  lub bardziej ogólnie:
 

gdzie:

  – energia przekazana do układu jako ciepło w czasie  
  – praca wykonana na układzie w czasie  
 ślad macierzy   reprezentującej operator  
  – operator statystyczny.

Alternatywne sformułowanie edytuj

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[3][5].

Zobacz też edytuj

Przypisy edytuj

  1. termodynamiki zasady, [w:] Encyklopedia PWN [online] [dostęp 2021-10-02].
  2. Peter Atkins, Chemia fizyczna, Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 2001, s. 124, ISBN 83-01-13502-6.
  3. a b Heller i Pabjan 2014 ↓, s. 68.
  4. Heiko Schröder, Günter Mahler, Work exchange between quantum systems: the spin-oscillator model, „arXiv”, 2009, DOI10.48550/ARXIV.0911.5236, arXiv:0911.5236.
  5. Tablice fizyczno-astronomiczne. pod redakcją Witolda Mizerskiego. Warszawa: Adamantan, 2002. ISBN 83-7350-011-1.

Bibliografia edytuj