Prvá termodynamická veta
Základná zásada o zachovaní energie v termodynamike: energia sa nedá vytvoriť ani zničiť, iba premeniť; vyjadruje sa vzťahom medzi vnútornou energiou, tepelnou výmenou a prácou.
Prehľad
Prvá termodynamická veta vyjadruje princíp zachovania energie aplikovaný na termodynamické sústavy. V najjednoduchšom tvare hovorí, že celková energia uzavretého systému sa nemení; ak do systému pritečie teplo alebo sa naň vykoná práca, zmení sa jeho vnútorná energia. Tento zákon je formou všeobecného zákona o zachovaní energie a je základom pre štúdium tepelných procesov, strojov a chemických reakcií. Prvá termodynamická veta je preto úzko spätá s pojmom zachovania energie.
Znenie a matematická forma
Bežné diferenčné vyjadrenie pre uzavretú sústavu je ΔU = Q - W. Tu ΔU označuje zmenu vnútorné energie systému, Q množstvo tepla dodané systému a W prácu vykonanú systémom nad okolím. Rôzne učebnice používajú odlišnú signatúru: niekde sa píše ΔU = Q + W, keď W predstavuje prácu vykonanú na systém. Preto je dôležité vždy určiť konvenciu. Pre izolovanú sústavu platí Q = 0 a W = 0, teda ΔU = 0 — vnútorná energia je konštantná.
Komponenty zákona
- Vnútorná energia (U) – súhrn všetkých mikroskopických foriem energie (kinetickej a potenciálnej častíc, väzbovej energie atď.).
- Teplo (Q) – forma prenosu energie medzi telami v dôsledku teplotného rozdielu; nie je to vlastnosť systému, ale prenos medzi systémom a okolím. Tepelná výmena sa meria napr. kalorimetriou.
- Práca (W) – energia prenesená pôsobením síl pri posunutí (napr. posuv piestu v motore). Práca môže mať rôzne formy: objemová, elektrická, mechanická.
História a kontext
Myšlienka, že energia sa nedá ničím vytvoriť ani zničiť, sa formovala počas 19. storočia. Kľúčovými priekopníkmi boli experimentátori a teoretici, ktorí skúmali vzťah medzi prácou a teplom; medzi známymi menami je napríklad James Prescott Joule a ďalší vedci, ktorí viedli k všeobecnej formulácii zákona. Prvá veta tak položila vedľa druhého zákona termodynamiky pevný základ pre pochopenie, ako sa energia premieňa, ale zároveň nehovorí o smere týchto premien — na to slúži druhý zákon.
Praktické dôsledky a príklady
Prvá veta má široké uplatnenie v inžinierstve i prírodných vedách. Pomáha pri návrhu motorov, chladničiek, kotlov, tepelných výmenníkov a pri výpočtoch chemických reakcií či biologických metabolických procesov. Príklady:
- Ohrievanie plynu v pieste: dodané teplo zvyšuje vnútornú energiu a vykoná sa práca proti vonkajšiemu tlaku.
- Elektrické ohrievače: elektrická energia sa premieňa na teplo (Q), zmena vnútorného stavu sa hodnotí pomocou ΔU.
- Ľudské telo pri cvičení: chemická energia zo živín sa premení na kinetickú energiu a teplo.
Rozdiely a obmedzenia
Prvá veta nestanovuje, ktoré premenné sú možné alebo pravdepodobné — toto určuje druhý zákon termodynamiky. Zákon tiež vylučuje existenciu perpetuum mobile prvého druhu (strojov, ktoré by nevyžadovali externý zdroj energie pri trvalom výkone). V aplikáciách pri otvorených systémoch (s prietokom hmoty) sa do bilancie pridávajú členy spojené s entalpiou a prenosom hmoty; pre tieto prípady býva užitočné použiť vyjadrenie založené na entalpii a prietokoch.
Pre ďalšie informácie a príklady aplikácií si môžete prečítať doplnkové zdroje o teple a práci, o formách energie ako sú svetlo alebo mechanická energia, o kinetickej a potenciálnej energii a o historickom kontexte v dielach fyzikov 19. storočia. Základné koncepty energie a jej premien sú tiež zhrnuté v všeobecných článkoch, napríklad v materiáloch venovaných termodynamike a zachovaniu energie.
História
James Prescott Joule ako prvý experimentálne zistil, že teplo a práca sú premenlivé.
Prvý explicitný výrok prvého termodynamického zákona podal Rudolf Clausius v roku 1850: "Existuje stavová funkcia E, nazývaná "energia", ktorej diferenciál sa rovná práci, ktorá sa vymení s okolím počas adiabatického procesu."
Termodynamika a inžinierstvo
V termodynamike a inžinierstve je prirodzené uvažovať o systéme ako o tepelnom motore, ktorý vykonáva prácu na okolí, a tvrdiť, že celková energia pridaná ohrevom sa rovná súčtu nárastu vnútornej energie plus práce vykonanej systémom. Preto δ W {\displaystyle \delta W} 
je množstvo energie stratenej systémom v dôsledku práce, ktorú systém vykonal na svojom okolí. Počas tej časti termodynamickéhocyklu, v ktorej motor vykonáva prácu, je δ W {\displaystyle \delta W} kladné, ale vždy bude existovať časť cyklu, v ktorej je δ W {\displaystyle \delta W} záporné, napr. keď sa pracovný plyn stláča. Keď δ W {\displaystyle \delta W} predstavuje prácu vykonanú systémom, prvý zákon je zapísaný:
d U = δ Q - δ W {\displaystyle \mathrm {d} U=\delta Q-\delta W\,} 
Ľudia sa nezhodujú, či je energia kladné alebo záporné číslo. Takže δ Q {\displaystyle \delta Q} 
je tok tepla zo systému a δ W {\displaystyle \delta W} je práca do systému:
d U = - δ Q + δ W {\displaystyle \mathrm {d} U=-\delta Q+\delta W\,} 
Vzhľadom na túto nejednoznačnosť je veľmi dôležité, aby sa v každej diskusii týkajúcej sa prvého zákona výslovne stanovila používaná konvencia označovania.
dU = zmena vnútornej energie
Q = teplo
W = práca
Súvisiace stránky
Otázky a odpovede
Otázka: Aký je prvý zákon termodynamiky?
Odpoveď: Prvý zákon termodynamiky hovorí, že energia sa nedá ani vytvoriť, ani zničiť; môže sa len meniť z jednej formy na druhú.
Otázka: Aký je princíp zachovania energie?
Odpoveď: Princíp zachovania energie znamená, že všetko, čo využíva energiu, mení energiu z jedného druhu energie na iný.
Otázka: Môže niekedy existovať perpetuum mobile?
Odpoveď: Nie, perpetuum mobile nikdy nemôže existovať, pretože by porušovalo základný fyzikálny zákon, ktorý hovorí, že energiu nemožno vytvoriť ani zničiť.
Otázka: Aké sú príklady foriem energie v klasickej mechanike?
Odpoveď: Príklady foriem energie v klasickej mechanike zahŕňajú teplo, svetlo, kinetickú (pohybovú) alebo potenciálnu energiu.
Otázka: Koľko druhov energie existuje v modernej fyzike?
Odpoveď: V modernej fyzike sa má za to, že existujú len dva druhy energie - hmotnosť a kinetická energia, hoci to nemusí byť užitočné pre tých, ktorí nie sú oboznámení so zložitejšou fyzikou.
Otázka: Je celková energia vesmíru konštantná?
Odpoveď: Áno, celková energia vesmíru (alebo akéhokoľvek uzavretého systému) je konštantná. Energia sa však môže prenášať z jednej časti vesmíru do druhej.
Otázka: Aké je najčastejšie znenie prvého termodynamického zákona, ktoré používajú vedci?
Odpoveď: Vedci najčastejšie používajú formuláciu prvého termodynamického zákona, podľa ktorej energiu nemožno vytvoriť ani zničiť; možno ju len preniesť alebo premeniť z jednej formy na druhú.
Súvisiace články
Autor
AlegsaOnline.com Prvá termodynamická veta Leandro Alegsa
URL: https://sk.alegsaonline.com/art/34567
Zdroje
- web.chemistry.ohio-state.edu : 1st Law of Thermodynamics