Wat is de eerste wet van de thermodynamica?
De eerste wet van de thermodynamica is ook bekend als de wet van behoud van energie. Er staat dat energie niet kan worden vernietigd of gecreëerd; het wordt bewaard in het universum en moet ergens eindigen, zelfs als het van vorm verandert. Het omvat de studie van systeemwerk, warmte en energie. Warmtemotoren roepen vaak een discussie op over de eerste wet van de thermodynamica; het wordt echter beschouwd als een van de meest fundamentele natuurwetten.
Zodra mensen zich verdiepen in de studie van de eerste wet van de thermodynamica, beginnen ze onmiddellijk de met de wet geassocieerde vergelijking te analyseren en te berekenen: ΔU = Q - W. Deze vergelijking betekent dat de verandering in interne energie van het systeem gelijk is aan de hitte toegevoegd aan het systeem minus het werk dat door het systeem is gedaan. Als alternatief wordt soms de vergelijking UU = Q + W gebruikt. Het enige verschil is dat het het werk berekent dat op het systeem is uitgevoerd, in plaats van het werk dat door het systeem is gedaan. Met andere woorden, werk is positief wanneer het systeem op het omliggende systeem werkt en negatief wanneer de omgeving op het systeem werkt.
Bij het bestuderen van natuurkunde is er een veel voorkomend voorbeeld waarbij warmte wordt toegevoegd aan een gas in een gesloten systeem. Het voorbeeld gaat verder door dat gas uit te breiden zodat het werkt. Het kan worden weergegeven als een zuiger die naar beneden duwt of druk uitoefent op gassen in een verbrandingsmotor. Het werk wordt dus gedaan door het systeem. Als alternatief, bij het bestuderen van chemische processen en reacties, is het typisch om omstandigheden te bestuderen waarin aan het systeem wordt gewerkt.
De standaardeenheid voor het berekenen van de eerste wet van de thermodynamica is Joules (J); veel mensen die de wet bestuderen, maken echter ook hun berekeningen in termen van de calorie of de British Thermal Unit (BTU). Soms is het handig om de instandhouding met werkelijke aantallen te berekenen, zodat mensen kunnen zien hoe de wet werkt. Als een motor 4.000 J werk verricht aan zijn omgeving, neemt de interne energie af met 4.000 J. Als hij ook 5.000 J warmte afgeeft terwijl hij werkt, dan neemt de interne energie af met nog eens 5.000 J. energie van het systeem neemt af met in totaal -9.000 J.
In een alternatieve berekening, als een systeem 4.000 J aan werk in zijn omgeving doet en vervolgens 5.000 J aan warmte uit zijn omgeving absorbeert, is het resultaat anders. In dat geval gaat er 5.000 J energie naar binnen en 4.000 J energie naar buiten. De totale interne energie van het systeem is dus 1.000 J.
Ten slotte kan ook negatief werk of werk dat door de omgeving aan het systeem is gedaan, worden geïllustreerd door middel van berekeningen met betrekking tot de eerste wet van de thermodynamica. Als het systeem bijvoorbeeld 4.000 J absorbeert terwijl de omgeving tegelijkertijd 5.000 J uitvoert of aan het systeem werkt, ziet u een ander resultaat. Omdat alle energieën in het systeem stromen, springt de totale interne energie tot 9.000 J.