Hvad er termodynamikkens første lov? – Bevarelse af energi forklaret
Lær termodynamikkens første lov og bevarelse af energi: energi kan ikke skabes eller ødelægges — kun omformes. Enkel forklaring med klare eksempler.
Den allerførste termodynamiske lov siger, at energi ikke kan skabes eller ødelægges, kun omdannes fra en form til en anden. Loven er grundlaget for princippet om bevarelse af energi. Det betyder, at når noget bruger energi, sker der en omdannelse mellem energiformer: for eksempel omsætter menneskekroppen energi fra mad til kinetisk (bevægelses)energi og varme, når vi motionerer. Energi forsvinder ikke, den skifter blot form. På praktisk niveau kan vi udnytte disse omdannelser til at udføre arbejde, fx drive maskiner eller opvarme boliger.
I klassisk mekanik taler man ofte om flere forskellige energiformer, fx varme, lys, kinetisk og potentiel energi, men i moderne fysik indgår desuden masse som en form for energi via masselighedsækvivalensen (E = mc2) — dvs. masse kan i visse processer omdannes til energi og omvendt. Dette er vigtigt i fx kernefysik, men påvirker normalt ikke dagligdags termodynamiske beregninger.
Formulering og matematisk udtryk
Den mest almindelige, kvantitative formulering af termodynamikkens første lov for et lukket system er:
ΔU = Q − W
- ΔU er ændringen i systemets indre energi (måles i joule).
- Q er den varme, der tilføres systemet (positiv, når varme tilføres).
- W er det arbejde, systemet udfører på omgivelserne (positiv, når systemet udfører arbejde).
Der findes alternative konventioner, hvor W defineres som arbejdet gjort på systemet; så får man ΔU = Q + W. Det vigtigste er at være konsekvent med valget af fortegn.
Hvad betyder det i praksis?
- Hvis du varmer en gas i en stempelcylinder, øges gasens indre energi. En del af denne energi kan omdannes til arbejde, når gassen skubber stemplet ud — resten bliver til varme.
- I en elektrisk varmelegeme omdannes elektrisk energi fuldstændigt til varme — den samlede energi er bevaret, men formen ændres.
- I en bilmotor omdannes kemisk bundet energi i brændstof først til varme ved forbrænding, dernæst en del til mekanisk arbejde (bevægelse) og en del afgives som varme til omgivelserne.
Systemtyper og energiudveksling
Det er vigtigt at skelne mellem forskellige slags systemer:
- Et isoleret system udveksler hverken varme eller arbejde med omgivelserne — den totale energi i et isoleret system er konstant.
- Et lukket system kan udveksle varme og arbejde, men ikke masse.
- Et åbent system kan udveksle både masse og energi — så skal også energitilførslen med massestrømme medregnes.
Begrænsninger og sammenhæng med anden lov
Første lov fortæller, at energi er bevaret, men ikke noget om, i hvilken retning en proces naturligt går. Spørgsmålet om spontanitet og hvor effektivt energi kan omdannes besvares af termodynamikkens anden lov (entropi). Første lov udelukker desuden permanente maskiner, der skaber energi ud af ingenting (perpetuum mobile af første slags).
Enheder og måling
Energi måles i joule (J) i SI-systemet. Arbejde og varme har samme dimensioner som energi, så de kan lægges sammen i regnestykket for ændringen i indre energi.
Sammenfatning
Termodynamikkens første lov er et udtryk for energiens bevarelse: energi kan hverken skabes eller ødelægges, kun omdannes. Dette gælder fra mikroskopiske processer (fx molekylær bevægelse og varme) til makroskopiske maskiner og kosmologiske sammenhænge, hvor man også må tage massens energi i betragtning ved særlige processer. For at forstå processers retning og effektivitet må man desuden bruge termodynamikkens anden lov.
Historie
James Prescott Joule var den første person, der ved eksperimenter fandt ud af, at varme og arbejde er omregneligt.
Den første eksplicitte erklæring af den første termodynamiske lov blev givet af Rudolf Clausius i 1850: "Der findes en tilstandsfunktion E, kaldet 'energi', hvis differentiale er lig med det arbejde, der udveksles med omgivelserne under en adiabatisk proces."
Termodynamik og teknik
Inden for termodynamik og teknik er det naturligt at betragte systemet som en varmemotor, der udfører arbejde på omgivelserne, og at sige, at den samlede energi, der tilføres ved opvarmning, er lig med summen af stigningen i den indre energi plus det arbejde, der udføres af systemet. Derfor er δ W {\displaystyle \delta W} 
den mængde energi, som systemet mister som følge af det arbejde, som systemet udfører på omgivelserne. I den del af den termodynamiskecyklus, hvor motoren udfører arbejde, er δ W {\displaystyle \delta W} positiv, men der vil altid være en del af cyklussen, hvor δ W {\displaystyle \delta W} er negativ, f.eks. når arbejdsgassen komprimeres. Når δ W {\displaystyle \delta W} repræsenterer det arbejde, der udføres af systemet, skrives den første lov:
d U = δ Q - δ W {\displaystyle \mathrm {d} U=\delta Q-\delta W\,} 
Folk er uenige om, hvorvidt energi er et positivt eller negativt tal. Så δ Q {\displaystyle \delta Q} 
er den varme, der strømmer ud af systemet, og δ W {\displaystyle \delta W} er det arbejde, der går ind i systemet:
d U = - δ Q + δ W {\displaystyle \mathrm {d} U=-\delta Q+\delta W\,} 
På grund af denne tvetydighed er det meget vigtigt i enhver diskussion om den første lov at fastslå den anvendte tegnkonvention udtrykkeligt.
dU = ændringen i den indre energi
Q = varme
W = arbejde
Relaterede sider
Spørgsmål og svar
Spørgsmål: Hvad er den første lov i termodynamikken?
A: Termodynamikkens første lov er, at energi hverken kan skabes eller ødelægges; den kan kun ændres fra en form til en anden.
Spørgsmål: Hvad er princippet om bevarelse af energi?
A: Princippet om bevarelse af energi betyder, at alt, hvad der bruger energi, ændrer energi fra en form for energi til en anden.
Spørgsmål: Kan evighedsmaskiner nogensinde eksistere?
Svar: Nej, evighedsmaskiner kan aldrig eksistere, fordi det ville bryde en grundlæggende fysiklov, som siger, at energi hverken kan skabes eller ødelægges.
Spørgsmål: Hvad er eksempler på energiformer i den klassiske mekanik?
A: Eksempler på energiformer i den klassiske mekanik er varme, lys, kinetisk (bevægelse) eller potentiel energi.
Spørgsmål: Hvor mange energiformer findes der i moderne fysik?
Svar: I moderne fysik anses der kun at være to typer energi - masse og kinetisk energi, selv om dette måske ikke er nyttigt for dem, der ikke er bekendt med mere kompleks fysik.
Spørgsmål: Er universets samlede energi konstant?
Svar: Ja, universets (eller ethvert lukket systems) samlede energi er en konstant. Energi kan dog overføres fra en del af universet til en anden.
Spørgsmål: Hvad er den mest almindelige formulering af termodynamikkens første lov, der anvendes af videnskabsfolk?
A: Den mest almindelige formulering af termodynamikkens første lov, der anvendes af videnskabsfolk, er, at energi ikke kan skabes eller ødelægges; den kan kun overføres eller omdannes fra en form til en anden.
Søge