Първи закон на термодинамиката: дефиниция и принцип на запазване на енергията
Първият закон на термодинамиката гласи, че енергията не може да се създава или унищожава, но може да се променя. Този закон е в основата на принципа за запазване на енергията. Това означава, че всяко тяло или система, която възприема или отдава енергия, прехвърля енергия от един вид в друг. Например при спортуване химическата енергия от храната се преобразува в кинетична (двигателна) енергия и топлина. Енергията не се появява изведнъж и не изчезва безследно — идеи за "вечно движение", които нарушават този закон, не са възможни в рамките на известните физични принципи. Енергията просто променя формата си и хората използват тези преобразувания, за да извършват полезна работа. Примерите за форми на енергия в класическата физика включват топлина, светлина, кинетична (движение) и потенциална енергия. В по-общ план в съвременната физика енергийните понятия се разширяват (например понятието за маса като форма на енергия чрез еквивалентността E=mc²), но основната идея за запазване на енергията остава валидна.
Законът означава, че общата енергия на затворена система (а в идеален смисъл — на Вселената) е константа. Енергията обаче може да се пренася от една част на системата в друга или да се преобразува между различни форми.
Най-често срещаната формулировка на първия закон на термодинамиката, използвана от учените, е:
Основна математическа форма
За затворена система (без вход/изход на маса) в краен процес първият закон се записва като:
ΔU = Q − W
където:
- ΔU е промяната на вътрешната енергия на системата,
- Q е количеството топлина, подадено на системата (положително, ако топлината е вътре),
- W е работата, извършена от системата върху околната среда (положителна, ако системата извършва работа).
В диференциална форма: dU = δQ − δW. Важно е да се отбележи, че δQ и δW са не-променливи (path-dependent) количества — зависят от начина, по който преминава процесът между началното и крайното състояние, докато dU е точен диференциал (функция само на състоянието).
Значение на термините
- Вътрешна енергия (U) — сумарна микроскопична енергия на частиците в системата: кинетична (движение) и потенциална (взаимодействия). За идеален газ вътрешната енергия зависи само от температурата.
- Топлина (Q) — енергия, пренесена между система и околностите вследствие на температурна разлика.
- Работа (W) — енергия прехвърлена чрез макроскопични сили (например обемна работа при разширение: W = ∫P dV).
Чести специални процеси (за идеален газ)
- Изохорен процес (V = const): W = 0 ⇒ ΔU = Q. Всичката подадена топлина увеличава вътрешната енергия (и температурата) на газа.
- Изобарен процес (P = const): W = PΔV ⇒ Q = ΔU + PΔV. Част от топлината отива за вдигане на вътрешната енергия и част — за извършване на работа.
- Изотермичен процес (T = const, идеален газ): ΔU = 0 ⇒ Q = W. Подадената топлина се използва изцяло за работа при разширение/свиване.
- Адиабатен процес (Q = 0): ΔU = −W. Всичката промяна в енергията е резултат само от работата.
Отворени системи и масов поток
За системи с обмен на маса (напр. турбини, компресори, топлообменници в поток) към уравнението се добавят енергийни потоци, свързани с енталпията на внасяните/изнасяните маси. Обобщено, промяната на общата енергия на контролен обем включва топлина, работа и енергията, пренесена с масовия поток (вътрешна енергия + кинетична + потенциална или енталпийни термини при поток).
Примери и историческа бележка
Класически опит за установяване на еквивалентността между механична работа и топлина е работата на Джеймс Прескот Джоул — той демонстрира, че механичната работа може да се преобразува в топлина и да повиши вътрешната енергия на система. Формулирането и прилагането на първия закон през XIX век допринесе за развитието на модерната термодинамика и инженерните науки.
Ограничения и връзка с други закони
Първият закон установява количествено запазване на енергията, но не дава информация за посоката на процесите — т.е. не казва кои трансформации са практически възможни. За това служи вторият закон на термодинамиката, който въвежда понятия като ентропия и определя кои процеси са необратими. Комбинацията от първия и втория закон е основата за анализ и проектиране на топлинни машини, хладилници и други енергийни системи.
Практическо значение
Първият закон е фундаментален за инженерната практика: от изчисляване на енергийните баланси в отоплителни и охлаждащи системи до оценка на ефективността на двигатели и електростанции. Познаването на енергийния баланс позволява да се оптимизират процеси и да се намалят енергийните загуби.
В обобщение: първият закон на термодинамиката е израз на универсалния принцип за запазване на енергията — енергията може да се преобразува и пренася, но сумарно тя не се губи. За да се предскаже дали даден процес ще се случи и с какъв ефект, трябва да се съчетае с втория закон и конкретните кинетични и термодинамични условия.
История
Джеймс Прескот Джаул е първият човек, който чрез експерименти установява, че топлината и работата са взаимозаменяеми.
Първото изрично изложение на първия закон на термодинамиката е направено от Рудолф Клаузиус през 1850 г: "Съществува функция на състоянието Е, наречена "енергия", чиято диференциална стойност е равна на работата, обменена с околната среда по време на адиабатен процес."
Термодинамика и инженерство
В термодинамиката и инженерството е естествено да се мисли за системата като за топлинен двигател, който извършва работа с околната среда, и да се твърди, че общата енергия, добавена чрез нагряване, е равна на сумата от увеличението на вътрешната енергия плюс работата, извършена от системата. Следователно δ W {\displaystyle \delta W} 
е количеството енергия, загубено от системата поради работата, извършена от системата върху заобикалящата я среда. По време на частта от термодинамичнияцикъл, в която двигателят извършва работа, δ W {\displaystyle \delta W} е положителна, но винаги ще има част от цикъла, в която δ W {\displaystyle \delta W} е отрицателна, например, когато работният газ се компресира. Когато δ W {\displaystyle \delta W} представлява работата, извършена от системата, първият закон се записва:
d U = δ Q - δ W {\displaystyle \mathrm {d} U=\delta Q-\delta W\,} 
Хората не са съгласни дали енергията е положително или отрицателно число. Така че δ Q {\displaystyle \delta Q} 
е топлинният поток от системата, а δ W {\displaystyle \delta W} е работата в системата:
d U = - δ Q + δ W {\displaystyle \mathrm {d} U=-\delta Q+\delta W\,} 
Поради тази двусмисленост е много важно във всяка дискусия, свързана с първия закон, изрично да се установи използваната конвенция за знаците.
dU = промяната на вътрешната енергия
Q = топлина
W = работа
Свързани страници
Въпроси и отговори
В: Кой е първият закон на термодинамиката?
О: Първият закон на термодинамиката гласи, че енергията не може нито да се създава, нито да се унищожава; тя може само да преминава от една форма в друга.
В: Какъв е принципът на запазване на енергията?
О: Принципът на запазване на енергията означава, че всичко, което използва енергия, променя енергията от един вид в друг.
В: Може ли някога да съществуват вечни машини?
О: Не, вечните машини никога не могат да съществуват, защото това би нарушило основен закон на физиката, който гласи, че енергията не може нито да се създава, нито да се унищожава.
Въпрос: Какви са примерите за форми на енергия в класическата механика?
О: Примерите за форми на енергия в класическата механика включват топлина, светлина, кинетична (движение) или потенциална енергия.
В: Колко вида енергия има в съвременната физика?
О: В съвременната физика се счита, че има само два вида енергия - маса и кинетична енергия, въпреки че това може да не е полезно за тези, които не са запознати с по-сложната физика.
Въпрос: Постоянна ли е общата енергия на Вселената?
О: Да, общата енергия на Вселената (или на всяка затворена система) е константа. Въпреки това енергията може да се прехвърля от една част на Вселената в друга.
В: Каква е най-често използваната от учените формулировка на първия закон на термодинамиката?
О: Най-често използваната от учените формулировка на първия закон на термодинамиката е, че енергията не може да бъде създадена или унищожена; тя може само да бъде пренесена или преобразувана от една форма в друга.
