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
Linki zewnętrzne What is the First Law of Thermodynamics? , kanał Royal Institution na YouTube, 5 grudnia 2016 [dostęp 2025-07-02].
Kategoria:Prawa i równania termodynamiki Kategoria:Zasady zachowania