Ποιος είναι ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής;

Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής δηλώνει ότι η μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας του συστήματος (ΔU) είναι ίση με την ποσότητα θερμότητας που παρέχεται στο σύστημα (Q) μείον την ποσότητα εργασίας που γίνεται από το σύστημα (W)

Τι συμβαίνει όταν ανάβετε μια λάμπα; Η ηλεκτρική ενέργεια που προέρχεται από τα καλώδια μετατρέπεται σε φως. Όταν ενεργοποιείτε την ανάφλεξη του οχήματός σας, η ενέργεια που αποθηκεύεται στη βενζίνη σας θέτει σε κίνηση. Όλες οι καθημερινές δραστηριότητες που κάνετε συμβαίνουν λόγω των θερμίδων που τρώτε στο φαγητό σας. Η ενέργεια μετατρέπεται συνεχώς από τη μια μορφή στην άλλη! Το βλέπουμε να συμβαίνει σε κάθε στιγμή της συνειδητής μας ζωής.

Στη σφαίρα της φυσικής, υπάρχει νόμος για όλα όσα συμβαίνουν στον κόσμο. Ο νόμος που διέπει αυτό το φαινόμενο είναι ο νόμος της διατήρησης της ενέργειας. Ο νόμος λέει ότι η ενέργεια δεν μπορεί ούτε να δημιουργηθεί ούτε να καταστραφεί. Μπορεί να αλλάξει μόνο από μια μορφή σε άλλη.

Η θερμοδυναμική είναι ένας κλάδος της φυσικής που ασχολείται με τη θερμική ενέργεια και τη σχέση της με το έργο και άλλες μορφές ενέργειας. Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής είναι μια εκδοχή του νόμου της διατήρησης της ενέργειας που σχετίζεται με τη θερμική ενέργεια. Οι νόμοι της θερμοδυναμικής ορίζουν πώς η εργασία, η θερμότητα και η ενέργεια επηρεάζουν ένα σύστημα. Σύστημα είναι οποιαδήποτε περιοχή στο Σύμπαν που είναι πεπερασμένα οριοθετημένη, μέσω της οποίας μεταφέρεται ενέργεια. Οτιδήποτε έξω από αυτό το όριο είναι το περιβάλλον του.

(Φωτογραφία:Wavesmikey / Wikipedia Commons)

Ποιος είναι ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής;

Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής λέει ότι η αλλαγή στην εσωτερική ενέργεια του συστήματος ( ) ισούται με την ποσότητα θερμότητας που παρέχεται στο σύστημα ( ) μείον τον όγκο της εργασίας που έχει γίνει από το σύστημα ( ):

Σε ορισμένα μέρη, μπορείτε να το βρείτε ως:

Η διαφορά μεταξύ των δύο εξισώσεων είναι ότι στην πρώτη, W είναι εργασία που εκτελείται από το σύστημα, ενώ στη δεύτερη ένα, είναι η δουλειά που γίνεται στο σύστημα. Εάν το σύστημα κάνει κάποια εργασία, τότε μπορεί να χρησιμοποιηθεί η πρώτη εξίσωση, αλλά αν γίνει εργασία στο σύστημα, τότε μπορεί να χρησιμοποιηθεί η δεύτερη εξίσωση.

Γιατί υπάρχουν διαφορετικές εξισώσεις;

Αν και ο νόμος παραμένει ο ίδιος, οι εξισώσεις ποικίλλουν ανάλογα με τα γεγονότα που συμβαίνουν στο σύστημα. Η πρώτη εξίσωση με ένα -W ορίστηκε από φυσικούς που ασχολούνται με κινητήρες εσωτερικής καύσης. Στην περίπτωσή τους, η θερμότητα που παρέχεται στο σύστημα διευρύνει το αέριο, το οποίο κινεί το έμβολο ή «δουλεύει». Ήταν η εξίσωση που χρησιμοποιήθηκε από τον Clausius, τον επιστήμονα που πρώτος δήλωσε τον νόμο στην πλήρη του μορφή.

Οι χημικοί χρησιμοποιούν τη δεύτερη εξίσωση με +W επειδή ασχολούνται κυρίως με συστήματα όπου μια διαδικασία συμβαίνει όταν γίνεται εργασία στα αέρια. Αυτή η εξίσωση είναι μέρος της σύμβασης IUPAC και είναι η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη εξίσωση σήμερα.

Παραδείγματα του πρώτου νόμου της θερμοδυναμικής

Μηχανή εσωτερικής καύσης

Πηγή:Wikimedia Commons/Συγγραφέας:MichaelFrey

Το κλασικό παράδειγμα που χρησιμοποιείται για να εξηγήσει τον πρώτο νόμο της θερμοδυναμικής είναι ο κινητήρας εσωτερικής καύσης. Σε έναν κινητήρα IC, μια ανάφλεξη με σπινθήρα καίει ένα μείγμα αέρα και βενζίνης. Η καύση προκαλεί διαστολή των αερίων στο εσωτερικό του κινητήρα. Αυτή η διαστολή σπρώχνει το έμβολο προς τα έξω, μετακινώντας έτσι ένα όχημα προς τα εμπρός, που είναι μηχανική ενέργεια. Στη διαδικασία, ο κινητήρας θερμαίνεται επίσης και χάνει κάποια ενέργεια ως θερμική ενέργεια.

Αν το βάλουμε στην εξίσωση, η αλλαγή στην εσωτερική ενέργεια (ή ) είναι η ενέργεια που αποθηκεύεται στο καύσιμο. Q είναι η θερμότητα που παρέχεται στον κινητήρα από το μπουζί. Έτσι, W είναι η κίνηση που προκύπτει (μηχανική ενέργεια) και η θερμότητα (απώλειες).

Λιώνοντας κύβους πάγου

(Φωτογραφία:Flickr)

Κρατήστε ένα παγάκι σε ένα πιάτο και αφήστε το. Σε λίγα λεπτά θα λιώσει και θα μετατραπεί σε νερό. Ο πάγος απορροφά θερμότητα από τον περιβάλλοντα αέρα, ο αέρας γίνεται δροσερός και ο πάγος μετατρέπεται σε νερό. Σε αυτή την περίπτωση, η κατάσταση της ύλης αλλάζει λόγω της απορρόφησης θερμότητας. Η εσωτερική ενέργεια (ή ) ο πάγος αυξάνεται καθώς απορροφά ενέργεια (Q) από τον περιβάλλοντα αέρα. Καθώς η διαδικασία συνεχίζεται, το νερό μετατρέπεται σε ατμό εάν μείνει για πολύ. Η εσωτερική ενέργεια του συστήματος (νερό) συνεχίζει να αλλάζει, καθώς είναι ανοιχτό σε ένα περιβάλλον που περιέχει θερμότητα. Έτσι, ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής διέπει τη ροή της ενέργειας.

Ιστορία του Πρώτου Νόμου της Θερμοδυναμικής

Η ανάγκη καθορισμού τέτοιων νόμων έγινε για πρώτη φορά αισθητή από τους ανθρώπους όταν επινόησαν τον πρώτο κινητήρα. Έγινε επιτακτική ανάγκη να δημιουργηθεί μια σχέση μεταξύ θερμότητας και εργασίας. Ήθελαν να αυξήσουν τη βιομηχανική παραγωγή, επομένως ήταν απαραίτητο να καθοριστεί και να βελτιωθεί η απόδοση των θερμικών μηχανών.

Χρειάστηκε περίπου μισός αιώνας και εισηγήσεις από πολλούς φυσικούς για να καταλήξουν στον πρώτο νόμο. Αρκετοί επιστήμονες έκαναν δηλώσεις που ήταν κοντά σε αυτόν τον νόμο. Ωστόσο, αναφέρθηκε για πρώτη φορά πλήρως από τους Rudolf Clausius και William Rankine το έτος 1850.

Διαβάστε περισσότερα:

Τι είναι ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής;

Τι είναι ο Τρίτος Νόμος της Θερμοδυναμικής;