Pierwsza zasada termodynamiki

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Przejdź do nawigacji Przejdź do wyszukiwania

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 | edytuj kod]

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

stąd:

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

Układ zamknięty, nieizolowany[edytuj | edytuj kod]

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 | edytuj kod]

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 | edytuj kod]

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:

lub bardziej ogólnie:
[4]

gdzie:

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

Alternatywne sformułowanie[edytuj | edytuj kod]

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 | edytuj kod]

Przypisy[edytuj | edytuj kod]

  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 | edytuj kod]