Termodynamiikan ensimmäinen laki sanoo, että lämpö on energian muoto, ja termodynaamiset prosessit ovat siksi energiatehokkuuden periaatteen alaisia. Tämä tarkoittaa, että lämpöenergiaa ei voida luoda tai tuhota. Sitä voidaan kuitenkin siirtää paikasta toiseen ja muunnella muuhun energiamuotoon.
Termodynamiikka on fysiikan haara, joka käsittelee lämmön ja muun energian välisiä suhteita. Erityisesti siinä kuvataan, kuinka lämpöenergia muunnetaan muille energiamuodoille ja miten se vaikuttaa aineeseen. Termodynamiikan perusperiaatteet ilmaistaan neljässä laissa.
"Ensimmäinen laki sanoo, että järjestelmän sisäisen energian on oltava yhtä suuri kuin järjestelmässä tehtävä työ, johon lisätään tai vähennetään järjestelmän sisällä tai ulos tulevaa lämpöä ja mitä tahansa muuta järjestelmässä tehtyä työtä, sanoo Missouri State Universityn fysiikan professori Saibal Mitra. "Joten, se on jälleen energian säästö."
Mitra jatkoi: "Järjestelmän sisäisen energian muutos on kaikkien järjestelmään tulevien ja siitä tulevien energiatuotteiden ja tuotosten summa samoin kuin kaikki talletuksesi ja nostonne, jotka määrittävät pankkitalletustesi muutokset." Tämä ilmaistaan matemaattisesti seuraavasti: ΔU = Q – W, missä ΔU on muutos sisäisessä energiassa, Q on järjestelmään lisätty lämpö ja W on järjestelmän tekemä työ.
1800-luvun loppupuolella ja 1800-luvun alussa tutkijat tarttivat Caloric-teorian, jonka Antoine Lavoisier ehdotti ensin 1783 ja jota Sadi Carnot lisäsi vuonna 1824 Amerikan fyysisen yhteiskunnan mukaan. Lämpöteoria käsitteli lämpöä eräänlaisena nesteenä, joka luonnollisesti juoksi kuumilta kylmille alueille, aivan kuten vesi virtaa korkeista alhaisiin paikkoihin. Kun tämä lämpöinen neste virusti kuumasta kylmään alueeseen, se voitaisiin muuttaa kineettiseksi energiaksi ja tehdä tekemään töitä paljon, koska putoava vesi voisi ajaa vesirengasta. Vasta Rudolph Clausius julkaisi vuonna 1879 "Heat Mechanical Theory of Heat", jonka mukaan kaloritieteoria vietiin lopulta.
Energia voidaan jakaa kahteen osaan, sanoo David McKee, fysiikan professori Missouri Southern State Universityssä. Yksi on meidän ihmisen mittakaava makroskooppinen panos, kuten mäntä liikkuu ja työntää kaasujärjestelmää. Sitä vastoin asiat tapahtuvat hyvin pienellä mittakaavalla, jossa emme voi seurata yksittäisiä maksuja.
McKee selittää: "Kun laitoin kaksi metallinäytettä toisiaan vasten, ja atomin rumpu ympäri rajaa ja kaksi atomia pudottavat toisiinsa, ja yksi niistä irtoaa nopeammin kuin toinen, en voi pitää Se tapahtuu hyvin pienellä mittakaavalla ja hyvin pienellä etäisyydellä, ja se tapahtuu monta kertaa sekunnissa. Joten jakamme kaikki energiansiirron kahteen ryhmään: tavaraa, johon aiomme seurata, ja tavaraa, jota emme pidä seurata, jälkimmäinen niistä on mitä kutsumme lämpöä. "
Termodynaamisia järjestelmiä pidetään yleisesti avoimena, suljettuna tai eristettynä. Kalifornian yliopiston Davisin mukaan avoin järjestelmä vapaasti vaihtaa energiaa ja ainetta ympäristöineen; suljettu järjestelmä vaihtaa energiaa, mutta ei ole sen ympäristössä; ja eristetty järjestelmä ei vaihta energiaa tai ainetta ympäristöineen. Esimerkiksi kiehuva keittoastia saa energiaa uunista, säteilee lämpöä pannusta ja päästää materiaalia höyryn muodossa, joka myös poistaa lämpöenergian. Tämä olisi avoin järjestelmä. Jos laitamme potin tiukkaan kansiin, se silti säteilee lämpöenergiaa, mutta se ei enää anna materiaalia höyryn muodossa. Tämä olisi suljettu järjestelmä. Kuitenkin, jos kaadetaan keitto täydellisesti eristettyyn termospulloon ja suljetaan kansi, ei olisi mitään energiaa tai ainetta, joka menisi sisään tai ulos järjestelmästä. Tämä olisi eristetty järjestelmä.
Käytännössä täysin erillisiä järjestelmiä ei kuitenkaan ole olemassa. Kaikki järjestelmät siirtävät energiaa ympäristöönsä säteilyn avulla riippumatta siitä, kuinka hyvin ne ovat eristettyjä. Thermossa oleva keitto pysyy vain kuumana muutaman tunnin ajan ja saavuttaa huoneen lämpötilan seuraavana päivänä. Toisessa esimerkissä valkoiset kääpiöt tähdet, poltettujen tähtien kuumat jäänteet, jotka eivät enää tuota energiaa, voidaan eristää lähes täydellisen tyhjiön valovuosilla tähtien välisellä tilalla, mutta ne lopulta jäähtyvät useilta kymmeniltä tuhansilta asteilta lähellä absoluuttista nollaa säteilyn kautta tapahtuvan energian menetyksen vuoksi. Vaikka tämä prosessi kestää kauemmin kuin maailmankaikkeuden nykyinen ikä, se ei pysäytä sitä.
Ensimmäisen lain yleisin käytännön soveltaminen on lämpömoottori. Lämpömotit muuttavat lämpöenergiaa mekaaniseksi energiaksi ja päinvastoin. Useimmat lämpöautot kuuluvat avoimien järjestelmien luokkaan. Lämpölaitteen perusperiaate hyödyntää työskentelynesteen lämmön, tilavuuden ja paineen välisiä suhteita. Tämä neste on tyypillisesti kaasua, mutta joissakin tapauksissa se voi joutua vaiheittaisiin muutoksiin kaasusta nesteeseen ja takaisin kaasuun syklin aikana.
Kun kaasu lämmitetään, se laajenee; kuitenkin, kun tämä kaasu on rajoitettu, se lisää paineita. Jos suljinkammion pohjaseinä on liikkuvan männän pää, tämä paine kohdistaa voiman männän pinnalle, mikä saa sen liikkumaan alaspäin.Tämä liike voidaan sitten valjastaa tekemään työtä yhtä suuri kuin männän yläosaan kohdistuva kokonaisvoima kertaa männän liikeradan matka.
Peruslämpövoimalla on lukuisia vaihteluita. Esimerkiksi höyrymoottorit perustuvat ulkoiseen polttoon kattilan säiliön lämmittämiseksi, joka sisältää käyttöfluidia, tyypillisesti vettä. Vesi muunnetaan höyryksi ja paine käytetään sitten männän ohjaamiseen, joka muuntaa lämpöenergian mekaaniseksi energiaksi. Automoottorit käyttävät kuitenkin polttopisteitä, joissa nestemäistä polttoainetta höyrystetään, sekoitetaan ilmaa ja sytytetään sylinterin sisällä liikkuvan männän yläpuolella, joka ajaa alaspäin.
Jääkaapit ja lämpöpumput ovat lämpövoimaloita, jotka muuttavat mekaanisen energian lämpöä. Suurin osa näistä kuuluu suljettujen järjestelmien luokkaan. Kun kaasu puristetaan, sen lämpötila nousee. Tämä kuuma kaasu voi sitten siirtää lämpöä ympäröivään ympäristöönsä. Sitten, kun puristetun kaasun annetaan laajentaa, sen lämpötila tulee kylmempää kuin se oli, ennen kuin se puristettiin, koska osa sen lämpöenergiasta poistettiin kuumakierron aikana. Tämä kylmäkaasu voi sitten absorboida lämpöenergiaa sen ympäristöstä. Tämä on ilmastointilaitteen takana oleva työperiaate. Ilmastointilaitteet eivät itse asiassa tuota kylmää; ne poistavat lämpöä. Työfluidi siirretään ulkona mekaanisella pumpulla, jossa sitä kuumennetaan puristamalla. Seuraavaksi se siirtää lämmön ulkoilmaan, yleensä ilmajäähdytteisen lämmönvaihtimen kautta. Sitten se palautetaan sisätiloihin, missä sen annetaan laajentaa ja jäähtyä, jotta se voi absorboida lämpöä sisäilmasta toisen lämmönvaihtimen kautta.
Lämpöpumppu on yksinkertaisesti ilmastointilaite, joka kulkee taaksepäin. Kompressoidusta työfluidista saatavaa lämpöä käytetään lämmittämään rakennusta. Sen jälkeen se siirretään ulkopuolelle, missä se laajenee ja kylmä, jolloin se voi absorboida lämpöä ulkoilmasta, joka jopa talvella on yleensä lämpimämpi kuin kylmä työfluidi.
Geotermiset tai maapohjan ilmastointilaitteet ja lämpöpumppujärjestelmät käyttävät pitkiä U-muotoisia putkia syvissä kuopissa tai vaakasuoriin putkiin, jotka on haudattu suuriin alueisiin, joiden kautta työskentelyneste kierrätetään, ja lämpö siirretään maahan tai maasta. Muut järjestelmät käyttävät jokia tai valtameriä kuumentamaan tai jäähdyttämään työfluidia.
Lisäresurssit
Tässä on kolme muuta selitystä termodynamiikan ensimmäisestä lainasta:
Termodynamiikan ensimmäinen laki toteaa, että energiaa ei voida luoda tai tuhota, mutta sitä voidaan siirtää paikasta toiseen ja muunnella muuhun energiamuotoon.