Spis treści
Pierwsza zasada termodynamiki
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 izolowany 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[4]:
- 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
[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:
Zobacz też
[edytuj | edytuj kod]- termodynamika
- różniczka niezupełna
- zerowa zasada termodynamiki
- druga zasada termodynamiki
- trzecia zasada termodynamiki
- czwarta zasada termodynamiki
Przypisy
[edytuj | edytuj kod]- ↑ termodynamiki zasady, [w:] Encyklopedia PWN [online], Wydawnictwo Naukowe PWN [dostęp 2021-10-02] .
- ↑ Peter Atkins, Chemia fizyczna, Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 2001, s. 124, ISBN 83-01-13502-6 .
- ↑ a b Heller i Pabjan 2014 ↓, s. 68.
- ↑ Heiko Schröder , Günter Mahler , Work exchange between quantum systems: the spin-oscillator model, „arXiv”, 2009, DOI: 10.48550/ARXIV.0911.5236, arXiv:0911.5236 .
- ↑ Tablice fizyczno-astronomiczne. pod redakcją Witolda Mizerskiego. Warszawa: Adamantan, 2002. ISBN 83-7350-011-1.
Bibliografia
[edytuj | edytuj kod]- Michał Heller, Tadeusz Pabjan, Elementy filozofii przyrody, Kraków: Copernicus Center Press, 2014, ISBN 978-83-7886-065-5, OCLC 871733464 .
- Krzysztof Pigoń, Zdzisław Ruziewicz, Chemia fizyczna. 1. Podstawy fenomenologiczne, wyd. 6, Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 2007, ISBN 978-83-01-15054-9, OCLC 749236206 .