Pierwsza zasada termodynamiki

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

Układ izolowany 
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 
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 
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 
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:
 

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

Alternatywne sformułowanie 
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.

Zobacz też 
 termodynamika
 różniczka niezupełna
 zerowa zasada termodynamiki
 druga zasada termodynamiki
 trzecia zasada termodynamiki
 czwarta zasada termodynamiki

Przypisy

Bibliografia 
 
 

Prawa i równania termodynamiki
Zasady zachowania