Sisäenergia ja Joulen koe

• Voiman vaikutuksesta siirtyvää energiaa kutsutaan mekaaniseksi työksi.
• Työn [[$W$]] suuruus on [[$W=Fs$]], missä [[$F$]] on voima ja [[$s$]] voiman suunnassa kuljettu matka.
• Systeemin sisäenergiaa voidaan muuttaa tekemällä siihen työtä tai siirtämällä siihen lämpöä (termodynamiikan 1. pääsääntö).
• Mekaaninen työ siirtyy systeemin rakenneosien liike-energiaksi, mikä ilmenee lämpötilan muutoksena.

Termodynamiikan 1. pääsääntö

Termodynamiikan ensimmäinen pääsääntö ilmaisee energian säilymislain. Sen mukaan systeemin sisäenergia [[$U$]] voi muuttua systeemin ja ympäristön välillä siirtyvän lämmön [[$Q$]] tai systeemiin tehdyn työn [[$W$]] johdosta.

[[$ \qquad \Delta U=Q+W $]]​

Sisäenergia

Systeemin sisäenergian muutos ilmenee lämpötilan tai olomuodon muutoksena. 

Merkkisäännöt

• Systeemiin siirtyvä lämpö ja systeemin tehty työ ovat positiivisia eli [[$Q>0$]] ja [[$W>0$]].
• Systeemistä pois siirtyvä lämpö ja ympäristöön tehty työ ovat negatiivisia.
• Sisäenergian kasvaessa sen muutos on positiivinen eli [[$\Delta U>0$]].

Kaasun tekemä työ

• Kaasuun tehdään työtä, kun sitä puristetaan kokoon. Laajeneva kaasu tekee työtä ympäristöön. Kaasun sisäenergia muuttuu tehdyn työn verran.
• Kaasun tilanmuutos voi tapahtua isotermisesti, adiabaattisesti tai niiden välimuotona.
  • Isotermisessä tilanmuutoksessa kaasun lämpötila ja sisäenergia eivät muutu. Kaasusta siirtyvä lämpö ja kaasuun tehty työ kumoavat toisensa. 
  • Adiabaattisessa tilanmuutoksessa kaasu ei menetä lämpöä ympäristöön lainkaan. Lämpötila kuitenkin muuttuu, koska sisäenergia muuttuu tehdyn työn verran.
• Tilanmuutosprosesseja kuvataan tilavuus–paine-koordinaatistossa tapahtuvina siirtyminä.

Lämpövoimakone

• Lämpövoimakone muuntaa lämpöä mekaaniseksi työksi.
• Höyrykone on esimerkki lämpövoimakoneesta.
• Lämpövoimakoneessa polttoaineella lämmitetään kaasua, jonka laajetessaan tekemää työtä hyödynnetään liikkeen tuottamiseen.
• Lämpövoimakoneiden suunnittelussa pyritään mahdollisimman hyvään hyötysuhteeseen minimoimalla energiahäviöitä tuotannon eri vaiheissa.