Vad är den första termodynamiklagen?

Den första termodynamiklagen är också känd som lagen om bevarande av energi. Den säger att energi inte kan förstöras eller skapas; det bevaras i universum och måste hamna någonstans, även om det ändrar form. Det handlar om att studera systemarbete, värme och energi. Värmemotorer väcker ofta en diskussion om termodynamikens första lag; emellertid anses det vara en av de mest grundläggande naturlagarna.

När människor närmar sig studiet av termodynamikens första lag börjar de omedelbart att analysera och beräkna ekvationen som är förknippad med lagen: ΔU = Q - W. Denna ekvation innebär att förändringen i systemets inre energi är lika med värmen läggs till i systemet minus det arbete som utförts av systemet. Alternativt används ibland ekvationen ΔU = Q + W. Den enda skillnaden är att det beräknar det arbete som utförts på systemet istället för det arbete som utförts av systemet. Med andra ord, arbete är positivt när systemet fungerar på det omgivande systemet och negativt när omgivningen fungerar på systemet.

När man studerar fysik finns det ett vanligt exempel som innebär att värme tillförs en gas i ett slutet system. Exemplet fortsätter genom att utöka gasen så att den fungerar. Det kan visualiseras som en kolv som trycker ner eller utövar tryck på gaser i en förbränningsmotor. Således görs arbete av systemet. Alternativt, när man studerar kemiska processer och reaktioner, är det typiskt att studera förhållanden där arbete utförs på systemet.

Standardenheten för beräkning av termodynamikens första lag är Joules (J); emellertid gör många som studerar lagen också sina beräkningar i fråga om kalori eller British Thermal Unit (BTU). Det är ibland användbart att beräkna bevarande med faktiska antal, vilket gör att människor kan se hur lagen fungerar. Om en motor utför 4 000 J arbete på dess omgivning minskar den inre energin med 4 000 J. Om den också släpper 5 000 J värme medan den arbetar, minskar den inre energin med ytterligare 5 000 J. Som ett resultat av den interna energin i systemet minskar med totalt -9 000 J.

I en alternativ beräkning, om ett system gör 4 000 J arbete på omgivningen och sedan absorberar 5 000 J värme från omgivningen, blir resultatet annorlunda. I så fall går det 5 000 J energi in och 4 000 J energi går ut. Systemets totala interna energi är således 1 000 J.

Slutligen kan negativt arbete eller arbete som utförts på systemet av omgivningen också illustreras genom beräkningar avseende den första termodynamiklagen. Till exempel, om systemet absorberar 4 000 J när omgivningarna samtidigt utför 5 000 J eller arbetar med systemet, kommer ett annat resultat att ses. Eftersom alla energier flyter in i systemet hoppar den totala inre energin upp till 9 000 J.