Pirmais termodinamikas likums — enerģijas saglabāšanas princips
Atklāj Pirmā termodinamikas likuma enerģijas saglabāšanas principu: kā enerģija nepazūd, tikai maina formas, un kā to izmanto siltumam, kustībai un darbam.
Pirmais termodinamikas likums nosaka, ka enerģiju nevar ne radīt, ne iznīcināt, taču to var mainīt. Šis likums ir enerģijas saglabāšanas principa pamatā. Tas nozīmē, ka jebkas, kas izmanto enerģiju, pārveido to no viena enerģijas veida uz citu. Piemēram, vingrojot, ķermeņa iegūtā enerģija no pārtikas pārvēršas kinētiskajā (kustības) enerģijā un siltumā. Enerģija neatceļas un nepazūd — tā tikai maina formu. Cilvēki šīs izmaiņas var izmantot, lai veiktu lietderīgu darbu. Enerģijas formu piemēri klasiskajā mehānikā ir siltums, gaisma, kinētiskā (kustības) vai potenciālā enerģija.
Mūsdienu fizikā masa tiek uztverta kā enerģijas forma (saskaņā ar Einšteina slaveno sakarību E = mc²), tāpēc enerģijas izpratne ir plašāka nekā tikai klasiskās mehānikas parādības. Tomēr ikdienas un daudzos inženiertehniskos aprēķinos enerģijas nodalījums — siltums, darbs, iekšējā enerģija u. c. — paliek praktiski noderīgs.
Šis likums nozīmē, ka Visuma kopējā enerģija (lokāli) tiek saglabāta — enerģija var tikt pārnesta no vienas vietas uz citu vai pārveidota no vienas formas citā. Jāņem vērā, ka pie lieliem kosmoloģiskiem mērogiem un vispārējās relativitātes kontekstā enerģijas definīcija var būt smalkāka un globāla saglabāšanas formula nav tik vienkārša kā klasiskiem slēgtiem sistēmām.
Formulējums un zīmju konvencija
Visbiežāk zinātnieki izmanto šādu termodinamikas pirmā likuma formulējumu:
ΔU = Q − W
Šeit:
- ΔU — sistēmas iekšējās enerģijas izmaiņa;
- Q — sistēmā piešķirtais siltums (pozitīvs, ja sistēma saņem siltumu);
- W — darbs, ko sistēma veic uz apkārtni (pozitīvs, ja sistēma dara darbu).
Diferenciālajā formā lieto dU = δQ − δW, uzsverot, ka δQ un δW nav stāvokļa funkcijas, bet ceļa atkarīgas kvantitātes, savukārt U ir stāvokļa funkcija.
Dažās grāmatās un kursu materiālos tiek izmantota cita zīmju konvencija, kur W apzīmē darbu, kas veikts uz sistēmu; tad formulas rakstība kļūst ΔU = Q + W. Svarīgi saprast, kura konvencija tiek lietota konkrētajā avotā.
Praktiski piemēri
- Pistona piemērs: sildot gāzi slēgtā cilpā, gāzes iekšējā enerģija palielinās (ΔU > 0). Ja gāze izplešas un griež pistonu, tā veic darbu uz apkārtni (W > 0), tādēļ pieprasījums par nepieciešamo siltuma daudzumu ņem vērā gan iekšējās enerģijas izmaiņu, gan veikto darbu.
- Elektromotors: elektriskā enerģija tiek pārveidota mehāniskajā darbā; kopējais enerģijas daudzums sistēmā saglabājas, bet daļa tiek pārvērsta arī siltumā (zaudējumi).
- ķīmiskas reakcijas: reakcijas enerģija var pāriet iekšējā enerģijā, siltumā vai darbos (piem., sprādziens rada gāzu izplešanos un darbu).
Mikroskopiska interpretācija
Mikroskopiski iekšējā enerģija U ir daudzu daļiņu kustības (kinētiskā) un mijiedarbības (potenciālā) enerģijas summa. Kad sistēma saņem siltumu, vidējā daļiņu kinētiskā enerģija parasti palielinās, kas izpaužas kā temperatūras celšanās. Darbs parasti saistīts ar makroskopiskām izmaiņām, piemēram, tilpuma izmaiņu vai spēku pielietojuma rezultātā.
Ierobežojumi, praktiskas nianses un perpetuum mobile
- Pirmais termodinamikas likums neparedz, kā ātri vai spontāni enerģija pārvēršas — to nosaka otrais termodinamikas likums (entinības izmaiņas, neizbēgamie zudumi u. c.).
- Perpetuum mobile pirmā veida ierīce (ierīce, kas rada brīvu enerģiju no nekā) būtu pretrunā ar šī likuma principu, tāpēc tā nav iespējama.
- Atvērtām sistēmām, kur notiek vielu apmaiņa ar apkārtni, enerģijas bilance jāpapildina par masu plūsmas enerģiju (parasti izmantojot entalpiju), lai precīzi aprēķinātu sistēmas enerģijas izmaiņas.
Kopsavilkumā: pirmais termodinamikas likums ir izteikts ar vienkāršu ideju — enerģija tiek saglabāta, bet tā var mainīt formu un pārvietoties. Praktiskos aprēķinos tas tiek lietots, formulējot enerģijas bilanci kā iekšējās enerģijas izmaiņu, piegādātā siltuma un izdarītā darba starpību.
Vēsture
Džeimss Preskots Džouls bija pirmais, kurš eksperimentos atklāja, ka siltums un darbs ir savstarpēji aizstājami.
Pirmo skaidri formulēto pirmo termodinamikas likumu 1850. gadā formulēja Rūdolfs Klauziuss: "Pastāv stāvokļa funkcija E, ko sauc par "enerģiju" un kuras diferenciālis ir vienāds ar darbu, kas adiabātiskā procesa laikā tiek apmainīts ar apkārtējo vidi."
Termodinamika un inženierzinātnes
Termodinamikā un inženierzinātnēs ir dabiski domāt par sistēmu kā par siltuma dzinēju, kas veic darbu ar apkārtējo vidi, un apgalvot, ka kopējā enerģija, kas pievienota, sildot, ir vienāda ar iekšējās enerģijas pieauguma un sistēmas veiktā darba summu. Tādējādi δ W {\displaystyle \delta W} 
ir enerģijas daudzums, ko sistēma zaudē, jo sistēma ir veikusi darbu ar apkārtējo vidi. Termodinamiskācikla daļā, kurā motors veic darbu, δ W {\displaystyle \delta W} ir pozitīvs, bet vienmēr būs cikla daļa, kurā δ W {\displaystyle \delta W} ir negatīvs, piemēram, kad darba gāze tiek saspiesta. Ja δ W {\displaystyle \delta W} ir sistēmas veiktais darbs, tad pirmais likums ir rakstāms:
d U = δ Q - δ W {\displaystyle \mathrm {d} U=\delta Q-\delta W\,} 
Cilvēki nav vienisprātis, vai enerģija ir pozitīvs vai negatīvs skaitlis. Tātad δ Q {\displaystyle \delta Q} 
ir siltuma plūsma no sistēmas, bet δ W {\displaystyle \delta W} ir darbs sistēmā:
d U = - δ Q + δ W {\displaystyle \mathrm {d} U=-\delta Q+\delta W\,} 
Šīs neskaidrības dēļ ir ļoti svarīgi jebkurā diskusijā, kas saistīta ar pirmo likumu, skaidri noteikt izmantoto zīmju konvenciju.
dU = iekšējās enerģijas izmaiņas
Q = siltums
W = darbs
Saistītās lapas
Jautājumi un atbildes
J: Kāds ir pirmais termodinamikas likums?
A: Pirmais termodinamikas likums nosaka, ka enerģiju nevar ne radīt, ne iznīcināt; tā var tikai pāriet no vienas formas citā.
Q: Kāds ir enerģijas saglabāšanas princips?
A: Enerģijas saglabāšanas princips nozīmē, ka viss, kas izmanto enerģiju, maina enerģiju no viena enerģijas veida uz citu.
J: Vai mūžīgās kustības mašīnas vispār var pastāvēt?
Atbilde: Nē, mūžīgās kustības mašīnas nekad nevar pastāvēt, jo tādējādi tiktu pārkāpts fizikas pamatlikums, kas nosaka, ka enerģiju nevar ne radīt, ne iznīcināt.
J: Kādi ir enerģijas formu piemēri klasiskajā mehānikā?
A: Enerģijas veidi klasiskajā mehānikā ir siltums, gaisma, kinētiskā (kustības) vai potenciālā enerģija.
J: Cik enerģijas veidu ir mūsdienu fizikā?
A: Mūsdienu fizikā tiek uzskatīts, ka ir tikai divi enerģijas veidi - masa un kinētiskā enerģija, lai gan tas var nebūt noderīgi tiem, kas nav pazīstami ar sarežģītāku fiziku.
J: Vai Visuma kopējā enerģija ir konstanta?
A: Jā, Visuma (vai jebkuras slēgtas sistēmas) kopējā enerģija ir konstanta. Tomēr enerģiju var pārnest no vienas Visuma daļas uz citu.
J: Kāds ir visbiežāk zinātnieku lietotais termodinamikas pirmā likuma formulējums?
A: Visbiežāk zinātnieki izmanto šādu termodinamikas pirmā termodinamikas likuma formulējumu: enerģiju nevar ne radīt, ne iznīcināt; to var tikai pārnest vai pārveidot no vienas formas citā.
Meklēt