Termodynamikens första lag: Definition av energins bevarande
Lär dig termodynamikens första lag: varför energi aldrig försvinner utan omvandlas, med tydliga förklaringar, exempel och betydelse för vardag och vetenskap.
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.
Historia
James Prescott Joule var den förste som genom experiment upptäckte att värme och arbete är utbytbara.
Det första uttryckliga uttalandet av termodynamikens första lag gjordes av Rudolf Clausius 1850: "Det finns en tillståndsfunktion E, kallad 'energi', vars differential är lika med det arbete som utbyts med omgivningen under en adiabatisk process."
Termodynamik och teknik
Inom termodynamik och teknik är det naturligt att se systemet som en värmemotor som utför arbete på omgivningen och att säga att den totala energi som tillförs genom uppvärmning är lika med summan av ökningen av den inre energin plus det arbete som utförs av systemet. Därför är δ W {\displaystyle \delta W} 
den energimängd som systemet förlorar på grund av det arbete som systemet utför på omgivningen. Under den del av den termodynamiskacykeln där motorn utför arbete är δ W {\displaystyle \delta W} positiv, men det kommer alltid att finnas en del av cykeln där δ W {\displaystyle \delta W} är negativ, t.ex. när arbetsgasen komprimeras. När δ W {\displaystyle \delta W} representerar det arbete som utförs av systemet skrivs den första lagen:
d U = δ Q - δ W {\displaystyle \mathrm {d} U=\delta Q-\delta W\,} 
Människor är oense om huruvida energi är ett positivt eller negativt tal. δ Q {\displaystyle \delta Q} 
är alltså värmeflödet ut ur systemet och δ W {\displaystyle \delta W} är arbetet in i systemet:
d U = - δ Q + δ W {\displaystyle \mathrm {d} U=-\delta Q+\delta W\,} 
På grund av denna tvetydighet är det mycket viktigt att i alla diskussioner om den första lagen uttryckligen fastställa vilken teckenkonvention som används.
dU = förändringen av den inre energin
Q = värme
W = arbete
Relaterade sidor
Frågor och svar
F: Vad är termodynamikens första huvudsats?
S: Termodynamikens första huvudsats är att energi varken kan skapas eller förstöras; den kan bara förändras från en form till en annan.
F: Vad är principen om energins bevarande?
S: Principen om energins bevarande innebär att allt som använder energi förändrar energin från en typ av energi till en annan.
F: Kan evighetsmaskiner någonsin existera?
S: Nej, evighetsmaskiner kan aldrig existera eftersom det skulle bryta mot en grundläggande fysikalisk lag, som säger att energi varken kan skapas eller förstöras.
F: Vad är exempel på energiformer inom klassisk mekanik?
S: Exempel på energiformer inom klassisk mekanik är värme, ljus, kinetisk (rörelse) eller potentiell energi.
F: Hur många typer av energi finns det i modern fysik?
S: Inom modern fysik anser man att det bara finns två typer av energi - massa och kinetisk energi, även om detta kanske inte är till hjälp för dem som inte är bekanta med mer komplex fysik.
F: Är den totala energin i universum konstant?
S: Ja, den totala energin i universum (eller i något slutet system) är konstant. Energi kan dock överföras från en del av universum till en annan.
F: Vilken är den vanligaste formuleringen av termodynamikens första huvudsats som används av forskare?
S: Den vanligaste formuleringen av termodynamikens första huvudsats som används av forskare är att energi inte kan skapas eller förstöras; den kan bara överföras eller omvandlas från en form till en annan.
Sök