Primul Principiu al

TermodinamiciiTermodinamicii

• Primul principiu al termodinamicii constituie o• Primul principiu al termodinamicii constituie oparticularizare a legii conservării energiei laprocesele în care intervine mişcarea termică amateriei, adică mişcarea dezordonată a unuinumăr mare de particule (atomi, molecule etc.).

Energia internă.

Lucrul mecanic şi căldura

• Energia unui sistem termodinamic este egală cusuma tuturor energiilor particulelor componente.Energia unui sistem se măsoară în raport cu unsistem de referinţă solidar cu sistemulsistem de referinţă solidar cu sistemultermodinamic şi cu originea în centrul de inerţie alsistemului.

• Energia totală a sistemului reprezintă suma dintreenergia externă, compusă din energia mecanică(energia cinetică şi cea potentială) şi energiainternă.

• unde Ec este energia cinetică a sistemului, luat ca un întreg, Epeste energia potenţială a sistemului, ca urmare a existenţei sale într-un câmp de forţe (de ex. gravitaţional), iar U este energia internă.

• Prin energie internă în termodinamică se înţelege energiatermică, adică energia cinetică a moleculelor aflate într-ocontinuă mişcare dezordonată (într-un sistem de referinţăfaţă de care sistemul macroscopic este în repaus) şienergia potenţială datorită interacţiunii dintre molecule.Într-un gaz perfect aflat în repaus energia internă estesuma dintre energiile interne ale moleculelor, mişcării lorde rotaţie, vibraţie, etc. În termodinamică se face abstracţiede alte forme de energie internă, ca energia chimică,nucleară etc.

• Energia internă se notează de obicei cu U şi este o funcţie de stare în sensul ca fiecărei stări a sistemului îi corespunde o valoare bine determinată a energiei interne. Ea face parte din categoria parametrilor macroscopici la fel ca temperatura, volumul sau presiunea.

• Ca urmare a interacţiunii dintre sistemul fizic şi mediul exterior poateavea loc un transfer de energie. Acest transfer de energie se poate facecu sau fără variaţia parametrilor externi.

• În cazul în care interacţiunea are loc cu variaţia parametrilor externi,avem de-a face cu un proces mecanic sau cu o acţiune mecanică iar

lucru mecanic.avem de-a face cu un proces mecanic sau cu o acţiune mecanică iarenergia transportată se numeşte lucru mecanic.

• Un proces de interacţiune are loc şi în alte situaţii când parametriiexterni care variază sunt inducţia electrică, inducţia magnetică etc.Daca interacţiunea are loc fără variaţia parametrilor externi,transmiterea energiei se numeşte schimb de căldură, iar energiatransmisă se numeşte căldură. Rezultă că deşi lucrul mecanic şicăldura au dimensiunile unei energii, ele nu sunt forme de energie, ciforme de schimb de energie şi nu sunt echivalente. Lucrul mecaniceste o forma macrofizică (ordonată) de transmitere a energiei de la unsistem la altul, în timp ce căldura este o forma microfizică (neordonată)de transmitere a energiei.

Formularea primului principiu al

termodinamicii

• Primul principiu al termodinamicii a fost o formă precursoarelegii conservării energiei la procesele în care intervinemişcarea termică a materiei. Acest principiu a fost enunţatpentru prima dată de către R.J. Mayer în 1842. La bazaenunţului său a stat observaţia experimentală că lucrulmecanic se poate transforma în căldură şi invers.

• Transformări ale lucrului mecanic în căldură se întâlnesc în• Transformări ale lucrului mecanic în căldură se întâlnesc întoate fenomenele de frecare între corpuri, la comprimarea şidilatarea gazelor, la transformarea lucrului mecanic în energieelectrică şi apoi în căldură prin efect Joule etc. Transformareadirectă a căldurii în lucru mecanic se realizează prinintermediul maşinilor termice. Dacă se consideră un sistemadiabatic, adică între sistem şi mediul înconjurător să nu aibăloc schimb de căldură, atunci starea unui astfel de sistem sepoate schimba prin efectuarea unui lucru mecanic asupra sade către mediul înconjurător şi invers. În acest caz primulprincipiu poate fi scris sub forma

• Dacă se consideră schimbarea stării unui sistem neadiabatic atunci, în• Dacă se consideră schimbarea stării unui sistem neadiabatic atunci, îngeneral, lucrul mecanic efectuat asupra sistemului nu va fi egal cuvariaţia energiei sale interne.

• În acest caz are loc şi un schimb de căldură între sistem şi mediulînconjurător, astfel încât primul principiu al termodinamicii (careexprimă legea conservării energiei) se exprimă prin relaţia:

• Din această relaţie rezultă că variaţia energiei interne asistemului este egală cu diferenţa dintre cantitatea decăldură schimbată de sistem cu mediul înconjurător şilucrul mecanic efectuat asupra sistemului (sau de cătresistem către exterior). Pentru schimbările infinitezimale,primul principiu se scrie

• În cadrul calculelor se face următoarea convenţie: călduraeste pozitivă dacă este primită de sistem din exterior şi

• În cadrul calculelor se face următoarea convenţie: călduraeste pozitivă dacă este primită de sistem din exterior şinegativă dacă este cedată de sistem exteriorului; lucrulmecanic este pozitiv dacă este efectuat de sistem asupraexteriorului şi negativ dacă este efectuat de exterior asuprasistemului. Această convenţie este, ca orice convenţie,arbitrară şi la locul ei poate fi aleasă o alta. Forma descrisăpermite ca la maşinile termice motoare mărimile caredefinesc randamentul termic să aibă valori pozitive.

• O consecinţă a primului principiu este aceea că esteimposibil să funcţioneze un perpetuum mobile de speţaîntâi (prin perpetuum mobile de speţa întâi se înţelege unsistem termodinamic capabil să furnizeze lucru mecanicexteriorului fără a primi o energie echivalentă sub formă decăldură din exterior). Să considerăm în acest scop unsistem ce suferă o transformare ciclică, adică otransformare în care starea finală coincide cu stareainiţială. Energia internă fiind o mărime de stare, variaţia eiîntr-o astfel de transformare este nulă, ceea ce conduceîntr-o astfel de transformare este nulă, ceea ce conducela:ceea ce în conformitate cu convenţia stabilită impune casistemul să primească căldura de la exterior pentru a puteaefectua lucrul mecanic asupra acestuia.