Први принцип термодинамике

Први принцип термодинамике је варијанта универзалног закона физике о очувању енергије. Први принцип термодинамике гласи: повећање унутрашње енергије затвореног термодинамичког система једнака је топлотној енергији додатој систему минус извршен рад система. Или једноставније речено укупна доведена енергија неком систему троши се на извршени рад и на повећање унутрашње енергије система.

Овај принцип се математички изражава формулом:^[1]

${\displaystyle \Delta U=Q-W\,}$

• ${\displaystyle \Delta U\,}$ је промена унутрашње енергије система.
• ${\displaystyle W\,}$ је део енергије који одговара извршеном раду система у односу на околину.
• ${\displaystyle Q\,}$ је количина топлотне енергије.

Постоји више могућих врста рада: рад сила притиска, рад електричних сила у хемијској батерији, рад електромагнетних сила, итд.

Ако се ради о механичком раду под силама притиска, као што је случај у класичној термодинамици, израз за прираштај топлотне енергије система гласи:

${\displaystyle \delta W_{fp}=-p_{ext}dV\,}$

Знак - означава да се систем шири (dV > 0 ), а рад врше спољашње силе.

${\displaystyle p_{ext}\,}$ је спољашњи притисак

${\displaystyle dV\,}$ је минимални прираштај запремине

Историја

У првој половини осамнаестог века, француски филозоф и математичар Емили ди Шатле дала је значајан допринос настајању теоријског оквира енергије предлажући облик закона очувања енергије који признаје укључивање кинетичке енергије.^[2][3] Емпиријски развој првих идеја, у наредном веку, борио се са контрадикторним концептима као што је калоријска теорија топлоте.

Гермејн Хес је 1840. године објавио закон очувања (Хесов закон^[4][5]) за топлоту реакције током хемијских трансформација.^[6] Овај закон је касније препознат као последица првог закона термодинамике, мада се Хесова изјава се није експлицитно бавила односом између размене енергије топлотом и радом.

Године 1842, Јулиус Роберт фон Мајер дао је исказ који је затим Клифорд Трусдел (1980) изразио тврдњом да се „у процесу под константним притиском, топлота која се користи за ширење може универзално измењивати са радом”, међутим то није општи исказ првог закона.^[7][8]

Прве потпуне изјаве о закону дошле су 1850. од Рудолфа Клаузијуса,^[9][10] и од Вилијама Ранкина. Неки научници сматрају Ранкинову изјаву мање изразитом од Клаузијусове.^[9]

Оригиналне изјаве: „термодинамички приступ“

Оригинални искази првог закона термодинамике из 19. века појавили су се у концептуалном оквиру у коме је пренос енергије као топлоте узет као примитиван појам, који није дефинисан или конструисан теоријским развојем оквира, већ претпостављен као и раније и већ прихваћен. Примитивни појам топлоте узет је као емпиријски успостављен, посебно путем калориметрије која се сматра субјектом сама по себи, пре термодинамике. Заједно са овим појмом топлоте примитивни су били појмови емпиријске температуре и топлотне равнотеже. Овај оквир је такође узео као примитиван појам пренос енергије као рада. Овај оквир није претпостављао концепт енергије уопште, већ га је сматрао изведеним или синтетисаним из претходних појмова топлоте и рада. Један аутор је овај оквир назвао „термодинамичким“ приступом.^[10]

Први експлицитни исказ првог закона термодинамике, Рудолфа Клаузијуса 1850. године, односио се на цикличне термодинамичке процесе.

У свим случајевима у којима рад производи из топлотне, троши се количина топлоте која је пропорционална обављеном послу; и обрнуто, трошењем дате количине рада производи се једнака количина топлоте.^[11]

Клаузијус је такође изнео закон у другом облику, позивајући се на постојање функције стања система, унутрашње енергије, и изразио га у виду диференцијалне једначине за прирасте термодинамичког процеса.^[12] Ова једначина се може описати на следећи начин:

У термодинамичком процесу који укључује затворени систем, прираст унутрашње енергије једнак је разлици између топлоте коју систем акумулира и његовог рада.

Види још

• Закони термодинамике
• Нулти принцип термодинамике
• Други принцип термодинамике
• Трећи принцип термодинамике
• Постулати термодинамике

Референце

1. Mandl 1988
2. Hagengruber, Ruth, editor (2011) Émilie du Chatelet between Leibniz and Newton. Springer. 978-94-007-2074-9
3. Arianrhod, Robyn (2012). Seduced by logic : Émilie du Châtelet, Mary Somerville, and the Newtonian revolution (US изд.). New York: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-993161-3.
4. Krishnamurthy, Mannam; Subba Rao Naidu (2012). „7”. Ур.: Lokeswara Gupta. Chemistry for ISEET - Volume 1, Part A (2012 изд.). Hyderabad, India: Varsity Education Management Limited. стр. 244.
5. „Hess' Law - Conservation of Energy”. University of Waterloo. Архивирано из оригинала 9. 1. 2015. г. Приступљено 12. 1. 2014.CS1 одржавање: Формат датума (веза)
6. Hess, H. (1840). „Thermochemische Untersuchungen”. Annalen der Physik und Chemie. 126 (6): 385—404. Bibcode:1840AnP...126..385H. doi:10.1002/andp.18401260620. hdl:2027/hvd.hxdhbq .
7. Truesdell, C. A. (1980), pp. 157–158.
8. Mayer, Robert (1841). Paper: 'Remarks on the Forces of Nature"; as quoted in: Lehninger, A. (1971). Bioenergetics – the Molecular Basis of Biological Energy Transformations, 2nd. Ed. London: The Benjamin/Cummings Publishing Company.
9. Truesdell, C. A. (1980).
10. Bailyn, M. (1994), p. 79.
11. Clausius, R. (1850), page 373, translation here taken from Truesdell, C. A. (1980), pp. 188–189.
12. Clausius, R. (1850), p. 384, equation (IIa.).

Литература

• Arianrhod, Robyn (2012). Seduced by logic : Émilie du Châtelet, Mary Somerville, and the Newtonian revolution (US изд.). New York: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-993161-3.
• Adkins, C. J. (1968/1983). Equilibrium Thermodynamics, (first edition 1968), third edition 1983, Cambridge University Press, 0-521-25445-0.
• Aston, J. G., Fritz, J. J. (1959). Thermodynamics and Statistical Thermodynamics, John Wiley & Sons, New York.
• Balian, R. (1991/2007). From Microphysics to Macrophysics: Methods and Applications of Statistical Physics, volume 1, translated by D. ter Haar, J.F. Gregg, Springer, Berlin, 978-3-540-45469-4.
• Bailyn, M. (1994). A Survey of Thermodynamics, American Institute of Physics Press, New York, 0-88318-797-3.
• Born, M. (1949). Natural Philosophy of Cause and Chance, Oxford University Press, London.
• Bryan, G. H. (1907). Thermodynamics. An Introductory Treatise dealing mainly with First Principles and their Direct Applications, B. G. Teubner, Leipzig.
• Balescu, R. (1997). Statistical Dynamics; Matter out of Equilibrium, Imperial College Press, London, 978-1-86094-045-3.
• Buchdahl, H. A. (1966), The Concepts of Classical Thermodynamics, Cambridge University Press, London.
• Callen, H. B. (1960/1985), Thermodynamics and an Introduction to Thermostatistics, (first edition 1960), second edition 1985, John Wiley & Sons, New York, 0-471-86256-8.
• Carathéodory, C. (1909). „Untersuchungen über die Grundlagen der Thermodynamik”. Mathematische Annalen. 67 (3): 355—386. S2CID 118230148. doi:10.1007/BF01450409. A translation may be found here. Also a mostly reliable translation is to be found at Kestin, J. (1976). The Second Law of Thermodynamics, Dowden, Hutchinson & Ross, Stroudsburg PA.
• Clausius, R. (1850), „Ueber die bewegende Kraft der Wärme und die Gesetze, welche sich daraus für die Wärmelehre selbst ableiten lassen”, Annalen der Physik, 79 (4): 368—397, 500—524, Bibcode:1850AnP...155..500C, doi:10.1002/andp.18501550403, hdl:2027/uc1.$b242250 . See English Translation: On the Moving Force of Heat, and the Laws regarding the Nature of Heat itself which are deducible therefrom. Phil. Mag. (1851), series 4, 2, 1–21, 102–119. Also available on Google Books.
• Crawford, F. H. (1963). Heat, Thermodynamics, and Statistical Physics, Rupert Hart-Davis, London, Harcourt, Brace & World, Inc.
• de Groot, S. R., Mazur, P. (1962). Non-equilibrium Thermodynamics, North-Holland, Amsterdam. Reprinted (1984), Dover Publications Inc., New York, 0486647412.
• Denbigh, K. G. (1951). The Thermodynamics of the Steady State, Methuen, London, Wiley, New York.
• Denbigh, K. (1954/1981). The Principles of Chemical Equilibrium. With Applications in Chemistry and Chemical Engineering, fourth edition, Cambridge University Press, Cambridge UK, 0-521-23682-7.
• Eckart, C. (1940). The thermodynamics of irreversible processes. I. The simple fluid, Phys. Rev. 58: 267–269.
• Fitts, D. D. (1962). Nonequilibrium Thermodynamics. Phenomenological Theory of Irreversible Processes in Fluid Systems, McGraw-Hill, New York.
• Glansdorff, P., Prigogine, I., (1971). Thermodynamic Theory of Structure, Stability and Fluctuations, Wiley, London, 0-471-30280-5.
• Gyarmati, I. (1967/1970). Non-equilibrium Thermodynamics. Field Theory and Variational Principles, translated from the 1967 Hungarian by E. Gyarmati and W. F. Heinz, Springer-Verlag, New York.
• Haase, R. (1963/1969). Thermodynamics of Irreversible Processes, English translation, Addison-Wesley Publishing, Reading MA.
• Haase, R. (1971). Survey of Fundamental Laws, chapter 1 of Thermodynamics, pages 1–97 of volume 1, ed. W. Jost, of Physical Chemistry. An Advanced Treatise, ed. H. Eyring, D. Henderson, W. Jost, Academic Press, New York, lcn 73–117081.
• Helmholtz, H. (1847). Ueber die Erhaltung der Kraft. Eine physikalische Abhandlung, G. Reimer (publisher), Berlin, read on 23 July in a session of the Physikalischen Gesellschaft zu Berlin. Reprinted in Helmholtz, H. von (1882), Wissenschaftliche Abhandlungen, Band 1, J. A. Barth, Leipzig. Translated and edited by J. Tyndall, in Scientific Memoirs, Selected from the Transactions of Foreign Academies of Science and from Foreign Journals. Natural Philosophy (1853), volume 7, edited by J. Tyndall, W. Francis, published by Taylor and Francis, London, pp. 114–162, reprinted as volume 7 of Series 7, The Sources of Science, edited by H. Woolf, (1966), Johnson Reprint Corporation, New York, and again in Brush, S. G., The Kinetic Theory of Gases. An Anthology of Classic Papers with Historical Commentary, volume 1 of History of Modern Physical Sciences, edited by N. S. Hall, Imperial College Press, London, 1-86094-347-0. стр. 89–110..
• Kestin, J. (1961). „On intersecting isentropics”. Am. J. Phys. 29 (5): 329—331. Bibcode:1961AmJPh..29..329K. doi:10.1119/1.1937763.
• Kestin, J. (1966). A Course in Thermodynamics, Blaisdell Publishing Company, Waltham MA.
• Kirkwood, J. G., Oppenheim, I. (1961). Chemical Thermodynamics, McGraw-Hill Book Company, New York.
• Landsberg, P. T. (1961). Thermodynamics with Quantum Statistical Illustrations, Interscience, New York.
• Landsberg, P. T. (1978). Thermodynamics and Statistical Mechanics, Oxford University Press, Oxford UK, 0-19-851142-6.
• Lebon, G., Jou, D., Casas-Vázquez, J. (2008). Understanding Non-equilibrium Thermodynamics, Springer, Berlin, 978-3-540-74251-7.
• Mandl, F. (1988) [1971]. Statistical Physics (2nd изд.). Chichester·New York·Brisbane·Toronto·Singapore: John Wiley & sons. ISBN 978-0471915331.
• Münster, A. (1970), Classical Thermodynamics, translated by E. S. Halberstadt, Wiley–Interscience, London, 0-471-62430-6.
• Partington, J.R. (1949). An Advanced Treatise on Physical Chemistry, volume 1, Fundamental Principles. The Properties of Gases, Longmans, Green and Co., London.
• Pippard, A. B. (1957/1966). Elements of Classical Thermodynamics for Advanced Students of Physics, original publication 1957, reprint 1966, Cambridge University Press, Cambridge UK.
• Planck, M.(1897/1903). Treatise on Thermodynamics, translated by A. Ogg, Longmans, Green & Co., London.
• Prigogine, I. (1947). Étude Thermodynamique des Phénomènes irréversibles, Dunod, Paris, and Desoers, Liège.
• Prigogine, I., (1955/1967). Introduction to Thermodynamics of Irreversible Processes, third edition, Interscience Publishers, New York.
• Reif, F. (1965). Fundamentals of Statistical and Thermal Physics, McGraw-Hill Book Company, New York.
• Tisza, L. (1966). Generalized Thermodynamics, M.I.T. Press, Cambridge MA.
• Truesdell, C. A. (1980). The Tragicomical History of Thermodynamics, 1822–1854, Springer, New York, 0-387-90403-4.
• Truesdell, C. A., Muncaster, R. G. (1980). Fundamentals of Maxwell's Kinetic Theory of a Simple Monatomic Gas, Treated as a branch of Rational Mechanics, Academic Press, New York, 0-12-701350-4.
• Tschoegl, N. W. (2000). Fundamentals of Equilibrium and Steady-State Thermodynamics, Elsevier, Amsterdam, 0-444-50426-5.
• Goldstein, Martin; Inge, F. (1993). The Refrigerator and the Universe. Harvard University Press. ISBN 0-674-75325-9. OCLC 32826343. Chpts. 2 and 3 contain a nontechnical treatment of the first law.
• Çengel Y. A.; Boles, M. (2007). Thermodynamics: an engineering approach. McGraw-Hill Higher Education. ISBN 978-0-07-125771-8. Chapter 2.
• Atkins, P. (2007). Four Laws that drive the Universe. Oxford: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-923236-9.

Спољашње везе

• MISN-0-158, The First Law of Thermodynamics (PDF file) by Jerzy Borysowicz for Project PHYSNET.
• First law of thermodynamics in the MIT Course Unified Thermodynamics and Propulsion from Prof. Z. S. Spakovszky