Termodynamikens allra första lag säger att energi inte kan skapas eller förstöras, men den kan förändras. Lagen utgör grunden för principen om energins bevarande. Det innebär att allt som använder energi omvandlar energi från ett energislag till ett annat. Till exempel omvandlar träning energi från mat till kinetisk (rörelse) energi och värme. Energi kan inte skapas ur tomma intet och försvinner inte; den ändrar bara form eller överförs mellan system. Påståenden om evighetsmaskiner (perpetual motion) strider mot denna lag; en maskin som skulle skapa energi ur intet är omöjlig enligt termodynamikens första lag. Exempel på energiformer i klassisk beskrivning är värme, ljus, kinetisk (rörelse) eller potentiell energi. Inom modern fysik framhävs också sambandet mellan massa och energi (E = mc²), vilket visar att massa är en form av lagrad energi, men för många tillämpningar räcker de klassiska energiformerna som beskrivits ovan.

Lagen innebär att universums totala energi är konstant för ett isolerat system. Energi kan däremot överföras från en del av universum till en annan eller omvandlas mellan olika former inom systemet.

Grundläggande begrepp

  • System — den del av verkligheten vi studerar (t.ex. en gas i en cylinder).
  • Omgivning — allt utanför systemet.
  • Isolerat system — inget energi- eller massutbyte med omgivningen; total energi är konstant.
  • Internt energi (U) — summan av alla mikroskopiska energier i systemet (kinetisk, potentiell, kemisk, etc.).
  • Värme (Q) — energiöverföring som sker till följd av temperaturskillnad.
  • Arbete (W) — energiändring som sker genom makroskopiska krafter (t.ex. ett pistonsystem som utför arbete mot en yttre tryckkraft).

Formuleringar av lagen

Den vanligaste matematiska formuleringen av termodynamikens första lag är ett uttryck för hur systemets interna energi ändras när energi tillförs som värme eller arbete. Det finns två vanliga teckenkonventioner:

  • Konvention A (vanlig i många fysiktexter): ΔU = Q − W, där W är det arbete systemet utför på omgivningen. Här ökar U om värme tillförs (Q > 0) och minskar om systemet utför arbete (W > 0).
  • Konvention B (vanlig i vissa kemitekniska och ingenjörsmässiga sammanhang): ΔU = Q + W, där W är det arbete som utförs på systemet av omgivningen. Här bidrar både positivt Q och positivt W till ökad U.

Vilken formel du använder beror på hur du definierar W. Båda är ekvivalenta när man är konsekvent med tecknen.

Exempel och tillämpningar

  • Uppvärmning av en gas i en cylinder med rörligt piston: Om du värmer gasen tillförs värme Q, en del av energin ökar den interna energin (temperaturen) och en del utför arbete (pressar ut pistonen). För ett slutet system: ΔU = Q − W.
  • Människokroppen: Kemisk energi i maten omvandlas till rörelseenergi, värme och lagrad energi; totalt sett följer omvandlingarna energins bevarande.
  • Elektriska batterier och kemiska reaktioner: Kemiskt arbete och elektriskt arbete ingår i energibalansen; även här gäller att nettoenergin förändras enligt första lagen.

Utvidgningar och viktiga noteringar

  • För öppna system (där massa kan tillföras eller lämna systemet) måste man inkludera energi som tas med av massflödet. Då används ofta begreppet entalpi (H) i energibalansen.
  • Förutom värme och mekaniskt arbete kan energi också överföras som elektriskt arbete, kemiskt arbete och annat icke-mekaniskt arbete; dessa bidrar i samma balansekvationer.
  • Termodynamikens första lag säger inget om riktningen för processer (detta behandlas av termodynamikens andra lag). Förändringar är begränsade så att energi bevaras, men andra lagar avgör om en process är spontan.

Allmän formel

Den vanligaste formuleringen av termodynamikens första lag som används av forskare är:

ΔU = Q − W

med förklaringen att ΔU är förändringen i systemets interna energi, Q är tillfört värme och W är arbetet utfört av systemet på omgivningen. Alternativt används ΔU = Q + W om W definieras som arbetet som utförs på systemet.