Ste se kdaj vprašali, kako toplota v resnici deluje? No, ne tako dolgo nazaj so znanstveniki, ki so želeli narediti svoje parne stroje učinkovitejše, poskušali narediti prav to. Njihova prizadevanja, da bi razumeli medsebojno razmerje med pretvorbo energije, toploto in mehanskim delom (in posledično večjimi spremenljivkami temperature, prostornine in tlaka) so postala znana kot termodinamika, vzeta iz grške besede »thermo« (kar pomeni »toplota«) in » dynamis« (kar pomeni sila). Kot večina področij znanstvenih študij, termodinamiko ureja vrsta zakonov, ki so bili uresničeni zaradi nenehnih opazovanj in eksperimentov. Prvi zakon termodinamike, verjetno najpomembnejši, je izraz načela ohranjanja energije.
V skladu s tem načelom prvi zakon izraža, da se energija lahko transformira (tj. spremeni iz ene oblike v drugo), vendar je ni mogoče ustvariti ali uničiti. Običajno se formulira tako, da navede, da je sprememba notranje energije (tj. skupne energije), vsebovane v sistemu, enaka količini toplote, dovedeni v ta sistem, zmanjšani za količino dela, ki ga sistem opravi na svoji okolici. Delo in toplota sta posledica procesov, ki dodajajo ali odvzemajo energijo, medtem ko je notranja energija posebna oblika energije, povezana s sistemom – lastnost sistema, medtem ko opravljeno delo in dovedena toplota nista. Pomemben rezultat tega razlikovanja je, da je dano spremembo notranje energije mogoče doseči s številnimi kombinacijami toplote in dela.
Ta zakon je prvič izrazil Rudolf Clausius leta 1850, ko je rekel: 'Obstaja funkcija stanja E, imenovana 'energija', katere diferencial je enak delu, ki se izmenjuje z okolico med adiabatskim procesom.' Vendar je bil Germain Hess (prek Hessovega zakona) in kasneje Julius Robert von Mayer tisti, ki je zakon prvi oblikoval, čeprav neformalno. Lahko ga izrazimo s preprosto enačbo E2 – E1 = Q – W, medtem ko E predstavlja spremembo notranje energije, Q predstavlja prenos toplote, W pa opravljeno delo. Drug pogost izraz tega zakona, ki ga najdemo v naravoslovnih učbenikih, je ?U=Q+W, kje ? predstavlja spremembo in U, toploto.
Pomemben koncept v termodinamiki je »termodinamični sistem«, natančno določeno območje vesolja, ki ga preučujemo. Vse v vesolju, razen sistema, je znano kot okolica in je ločeno od sistema z mejo, ki je lahko namišljena ali resnična, vendar po dogovoru omejuje končni volumen. Preko te meje potekajo izmenjave dela, toplote ali snovi med sistemom in okolico. Termodinamika se ukvarja samo z velikim odzivom sistema, ki ga lahko opazujemo in merimo v eksperimentih (kot so parni stroji, za katere je bila študija najprej razvita).
O prvem zakonu termodinamike za današnje vesolje smo napisali veliko člankov. Tukaj je članek o entropiji in tukaj je članek o Hookeov zakon .
Če želite več informacij o prvem zakonu termodinamike, si oglejte Nasin raziskovalni center Glenn , in tukaj je povezava do Hiperfizika .
Posneli smo tudi epizodo Astronomy Cast o planetu Zemlja. Poslušaj tukaj, Epizoda 51: Zemlja .
Viri:
http://en.wikipedia.org/wiki/First_law_of_thermodynamics
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/firlaw.html
http://en.wikipedia.org/wiki/Internal_energy
http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/thermo1.html
http://en.wikipedia.org/wiki/Termodinamika
http://en.wikipedia.org/wiki/Laws_of_thermodynamics