กฎข้อที่หนึ่งและการอนุรักษ์พลังงาน

กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ขยายหลักการอนุรักษ์พลังงานไปสู่กระบวนการทางความร้อน โดยระบุว่าความร้อนและงานเป็นวิธีการที่สามารถแลกเปลี่ยนกันได้ในการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในของระบบ

Definition

กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ระบุว่าการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในของระบบเท่ากับความร้อนที่เพิ่มเข้าสู่ระบบลบด้วยงานที่ระบบทำ ซึ่งเป็นการแสดงออกถึงการอนุรักษ์พลังงานเมื่อความร้อนถูกรวมเข้าเป็นรูปแบบหนึ่งของการถ่ายโอนพลังงาน

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงการกล่าวถึงกฎข้อที่หนึ่ง พลังงานภายในในฐานะฟังก์ชันสภาวะ การขึ้นกับวิถีของความร้อนและงาน ผลต่างเชิงอนุพันธ์แบบแม่นตรงและไม่แม่นตรง และการกำหนด dU = dQ - dW รวมถึงการประยุกต์ใช้กับเอนทาลปี ความจุความร้อน และการวิเคราะห์กระบวนการทางอุณหพลศาสตร์ เช่น กระบวนการไอโซเทอร์มอล (isothermal), แอดิอะแบติก (adiabatic) และไอโซคอริก (isochoric)

Core questions

• เหตุใดพลังงานภายในจึงเป็นฟังก์ชันสภาวะ ในขณะที่ความร้อนและงานไม่ใช่?
• ความเท่าเทียมกันเชิงกลของความร้อนได้สร้างหลักการอนุรักษ์พลังงานข้ามโดเมนความร้อนและกลไกได้อย่างไร?
• ความร้อนและงานรวมกันเพื่อกำหนดการเปลี่ยนแปลงพลังงานตามวิถีกระบวนการที่แตกต่างกันได้อย่างไร?
• อะไรคือความแตกต่างระหว่างเอนทาลปีกับพลังงานภายใน และเมื่อใดที่เหมาะสมที่จะใช้แต่ละอย่าง?

Key concepts

• พลังงานภายในในฐานะฟังก์ชันสภาวะ
• ความร้อนและงานในฐานะการถ่ายโอนที่ขึ้นกับวิถี
• ผลต่างเชิงอนุพันธ์แบบแม่นตรงเทียบกับไม่แม่นตรง
• เอนทาลปีและความจุความร้อน
• กระบวนการแอดิอะแบติก (adiabatic), ไอโซเทอร์มอล (isothermal) และไอโซคอริก (isochoric)

Clinical relevance

กฎข้อที่หนึ่งเป็นพื้นฐานของการคำนวณพลังงานในเครื่องยนต์ แคลอรีเมตรี เอนทาลปีของปฏิกิริยาเคมี และสมดุลพลังงานเมแทบอลิซึม โดยเป็นหลักการในการบันทึกบัญชีสำหรับทุกกระบวนการที่มีการแลกเปลี่ยนความร้อนและงาน

History

กฎข้อที่หนึ่งได้ก่อร่างขึ้นในช่วงทศวรรษ 1840 เมื่อเมเยอร์ (Mayer) และจูล (Joule) ได้สร้างความเท่าเทียมกันเชิงกลของความร้อนอย่างอิสระ และเฮล์มโฮลทซ์ (Helmholtz) ได้เสนอแนวคิดการอนุรักษ์พลังงานสากล ซึ่งเป็นการรวมกลศาสตร์ ความร้อน และพลังงานรูปแบบอื่น ๆ เข้าด้วยกัน

Key figures

• James Prescott Joule
• Julius Robert von Mayer
• Hermann von Helmholtz

Seminal works

• joule1850
• callen1985

Frequently asked questions

เหตุใดความร้อนและงานจึงถูกเขียนด้วยผลต่างเชิงอนุพันธ์แบบไม่แม่นตรง?

เนื่องจากความร้อนที่แลกเปลี่ยนและงานที่ทำขึ้นอยู่กับวิถีที่ใช้ระหว่างสองสถานะ ไม่ใช่แค่จุดเริ่มต้นและจุดสิ้นสุด ในขณะที่พลังงานภายในขึ้นอยู่กับสถานะเท่านั้น สัญกรณ์ผลต่างเชิงอนุพันธ์แบบไม่แม่นตรงจึงบ่งบอกถึงการขึ้นกับวิถีนี้