Principiul 1 al termodinamicii

Principiul 1 al termodinamicii:



Principiul întâi al termodinamicii constituie o particularizare a legii conservării energiei la procesele în care intervine mișcarea termică a materiei, adică mișcarea dezordonată a unui număr mare de particule (atomi, molecule etc.).

Energia internă. Lucrul mecanic și căldura

 

Energia unui sistem termodinamic este egală cu suma tuturor energiilor particulelor componente. Energia unui sistem se măsoară în raport cu un sistem de referință solidar cu sistemul termodinamic și cu originea în centrul de inerție al sistemului.
Energia totală a sistemului reprezintă suma dintre energia externă, compusă din energia mecanică (energia cinetică și cea potentială) și energia internă.

unde E_c este energia cinetică a sistemului, luat ca un întreg, E_p este energia potențială a sistemului, ca urmare a existenței sale într-un câmp de forțe (de ex. gravitațional), iar U este energia internă.

Prin energie internă în termodinamică se înțelege energia termică, adică energia cinetică a moleculelor aflate într-o continuă mișcare dezordonată (într-un sistem de referință față de care sistemul macroscopic este în repaus) și energia potențială datorită interacțiunii dintre molecule. Într-un gaz perfect aflat în repaus energia internă este suma dintre energiile interne ale moleculelor, mișcării lor de rotație, vibrație, etc. În termodinamică se face abstracție de alte forme de energie internă, ca energia chimică, nucleară etc.
Energia internă se notează de obicei cu U și este o funcție de stare în sensul ca fiecărei stări a sistemului îi corespunde o valoare bine determinată a energiei interne. Ea face parte din categoria parametrilor macroscopici la fel ca temperatura, volumul sau presiunea.
Ca urmare a interacțiunii dintre sistemul fizic și mediul exterior poate avea loc un transfer de energie. Acest transfer de energie se poate face cu sau fără variația parametrilor externi. În cazul în care interacțiunea are loc cu variația parametrilor externi, avem de-a face cu un proces mecanic sau cu o acțiune mecanică iar energia transportată se numește lucru mecanic. Un proces de interacțiune are loc și în alte situații când parametrii externi care variază sunt inducția electrică, inducția magnetică etc. Daca interacțiunea are loc fără variația parametrilor externi, transmiterea energiei se numește schimb de căldură, iar energia transmisă se numește căldură. Rezultă că deși lucrul mecanic și căldura au dimensiunile unei energii, ele nu sunt forme de energie, ci forme de schimb de energie și nu sunt echivalente. Lucrul mecanic este o forma macrofizică (ordonată) de transmitere a energiei de la un sistem la altul, în timp ce căldura este o forma microfizică (neordonată) de transmitere a energiei.

 

Formularea primului principiu al termodinamicii

 

 

Primul principiu al termodinamicii a fost o formă precursoare legii conservării energiei la procesele în care intervine mișcarea termică a materiei. Acest principiu a fost enunțat pentru prima dată de către R.J. Mayer în 1842. La baza enunțului său a stat observația experimentală că lucrul mecanic se poate transforma în căldură și invers.
Transformări ale lucrului mecanic în căldură se întâlnesc în toate fenomenele de frecare între corpuri, la comprimarea și dilatarea gazelor, la transformarea lucrului mecanic în energie electrică și apoi în căldură prin efect Joule etc. Transformarea directă a căldurii în lucru mecanic se realizează prin intermediul mașinilor termice. Dacă se consideră un sistem adiabatic, adică între sistem și mediul înconjurător să nu aibă loc schimb de căldură, atunci starea unui astfel de sistem se poate schimba prin efectuarea unui lucru mecanic asupra sa de către mediul înconjurător și invers. În acest caz primul principiu poate fi scris sub forma

Dacă se consideră schimbarea stării unui sistem neadiabatic atunci, în general, lucrul mecanic efectuat asupra sistemului nu va fi egal cu variația energiei sale interne. În acest caz are loc și un schimb de căldură între sistem și mediul înconjurător, astfel încât primul principiu al termodinamicii (care exprimă legea conservării energiei) se exprimă prin relația:

sau

Din această relație rezultă că variația energiei interne a sistemului este egală cu diferența dintre cantitatea de căldură schimbată de sistem cu mediul înconjurător și lucrul mecanic efectuat asupra sistemului (sau de către sistem către exterior). Pentru schimbările infinitezimale, primul principiu se scrie sub forma:

În cadrul calculelor se face următoarea convenție: căldura este pozitivă dacă este primită de sistem din exterior și negativă dacă este cedată de sistem exteriorului; lucrul mecanic este pozitiv dacă este efectuat de sistem asupra exteriorului și negativ dacă este efectuat de exterior asupra sistemului. Această convenție este, ca orice convenție, arbitrară și la locul ei poate fi aleasă o alta. Forma descrisă permite ca la mașinile termice motoare mărimile care definesc randamentul termic să aibă valori pozitive.
O consecință a primului principiu este aceea că este imposibil să funcționeze un perpetuum mobile de speța întâi (prin perpetuum mobile de speța întâi se înțelege un sistem termodinamic capabil să furnizeze lucru mecanic exteriorului fără a primi o energie echivalentă sub formă de căldură din exterior). Să considerăm în acest scop un sistem ce suferă o transformare ciclică, adică o transformare în care starea finală coincide cu starea inițială. Energia internă fiind o mărime de stare, variația ei într-o astfel de transformare este nulă, ceea ce conduce la:

sau

ceea ce în conformitate cu convenția stabilită impune ca sistemul să primească căldura de la exterior pentru a putea efectua lucrul mecanic asupra acestuia.