Pierwsza zasada termodynamiki

Pierwsza zasada termodynamiki to zastosowanie zasady zachowania energii do zjawisk cieplnych. Mówi ona, że energia wewnętrzna układu może się zmieniać wtedy, gdy układ wymienia energię z otoczeniem jako ciepło albo gdy wykonywana jest praca.

W szkolnej konwencji zapisujemy to wzorem: $\Delta U = Q + W$. Oznacza to, że zmiana energii wewnętrznej układu jest równa sumie ciepła przekazanego do układu i pracy wykonanej nad układem. Wzór nie tworzy nowej zasady niezależnej od fizyki ogólnej, lecz pokazuje, jak działa zachowanie energii w procesach termodynamicznych.

Energia wewnętrzna to energia związana z budową mikroskopową substancji. Obejmuje ruch cząsteczek oraz energię ich wzajemnych oddziaływań. Gdy rośnie temperatura ciała, zwykle rośnie też jego energia wewnętrzna, choć zależy to również od stanu skupienia i rodzaju przemiany.

Ciepło nie jest „zawartością” ciała. To energia przekazywana między ciałami o różnych temperaturach. Jeśli gorący przedmiot styka się z chłodniejszym, energia przepływa od cieplejszego do chłodniejszego.

Praca w termodynamice oznacza przekazywanie energii przez działanie sił. Przykładem jest sprężanie gazu tłokiem. Wtedy energia trafia do układu nie dlatego, że go ogrzewamy, ale dlatego, że wykonujemy nad nim pracę.

Warto odróżniać temperaturę od energii wewnętrznej. Temperatura informuje o stanie cieplnym ciała, natomiast energia wewnętrzna opisuje ilość energii związanej z ruchem i oddziaływaniami cząsteczek.

We wzorze $\Delta U = Q + W$ bardzo ważna jest interpretacja znaków. Jeśli $Q>0$, to do układu dopływa energia jako ciepło. Jeśli $Q<0$, układ oddaje ciepło do otoczenia. Jeśli $W>0$, wykonano pracę nad układem. Jeśli $W<0$, to układ sam wykonuje pracę nad otoczeniem, na przykład rozprężający się gaz odpycha tłok.

Z tego wynikają typowe wnioski:

• gdy dostarczamy ciepło i jednocześnie sprężamy gaz, energia wewnętrzna rośnie,
• gdy układ oddaje ciepło i sam wykonuje pracę, jego energia wewnętrzna maleje,
• nawet bez ogrzewania można zwiększyć energię wewnętrzną, jeśli wykonuje się nad układem pracę.

Jeśli ogrzewamy wodę w naczyniu, przekazujemy jej ciepło, więc jej energia wewnętrzna rośnie. Jeśli sprężamy powietrze w pompce rowerowej, wykonujemy nad nim pracę, dlatego powietrze może się ogrzać nawet bez bezpośredniego podgrzewania.

Gdy gorąca herbata stygnie, oddaje ciepło do otoczenia, a jej energia wewnętrzna maleje. Gdy gaz w cylindrze rozpręża się i przesuwa tłok, wykonuje pracę nad otoczeniem, więc część jego energii zostaje przekazana na zewnątrz.

W zadaniach trzeba zawsze ustalić, czy energia trafia do układu, czy z niego odpływa. Dopiero potem można poprawnie nadać znaki wielkościom $Q$ i $W$.

W zadaniach szkolnych najważniejsze jest rozpoznanie, jak zachowuje się układ i jakie są drogi przepływu energii. Trzeba odpowiedzieć na trzy pytania: czy układ pobiera lub oddaje ciepło, czy wykonuje pracę, oraz czy praca jest wykonywana nad układem.

W praktyce warto zapamiętać prosty schemat:

• ogrzewanie układu oznacza zwykle $Q>0$,
• stygnięcie układu oznacza zwykle $Q<0$,
• sprężanie gazu daje zwykle $W>0$,
• rozprężanie gazu z przesuwaniem tłoka daje zwykle $W<0$.

Pierwsza zasada termodynamiki pozwala wyjaśnić, dlaczego ciało może zmieniać temperaturę zarówno podczas ogrzewania, jak i podczas wykonywania pracy. Dzięki niej rozumiemy, że zjawiska cieplne nie łamią praw fizyki, lecz są szczególnym przypadkiem działania zachowania energii, przemian energii i jej przekazu między układem a otoczeniem.