Termodynamiikan 1. pääsääntö

Termodynaamiseen systeemiin siirtynyt energia kasvattaa sen sisäenergiaa. Energia voi siirtyä lämpönä säteilemällä, johtumalla ja kuljettumalla. Systeemiin voi siirtyä energiaa myös mekaanisen työn kautta. Systeemiin kohdistuva voima muuttaa sen sisäenergiaa voiman tekemän työn verran. Siirtyvän lämmön tai mekaanisen energian kautta tapahtuva sisäenergian muutos havaitaan systeemin lämpötilan nousuna tai olomuodon muutoksena. 

Lämmön siirtymisen ja työn aiheuttaman sisäenergian muutos havaitaan esimerkiksi kokeessa, jossa tarkasteltava systeemi on puupalikka. Puupalikkaan johtuu ihosta lämpöä, kun käsi koskettaa sitä. Kosketuksen jälkeen palikan lämpötilan muutos havaitaan lämpökameran kuvassa kirkkaamman punaisena alueena. Palikan sisäenergia on kasvanut siirtyneen lämmön myötä.

Puupalikan lämpötila nousee myös silloin, kun sitä hangataan toista palikkaa vasten. Tällöin kyse on kitkavoiman tekemästä mekaanisesta työstä. Alimmainen kuvapari havainnollistaa lämpötilan muutosta heti hankauksen päätyttyä. Hankaus on aiheuttanut lämpötilan nousua palikan koko pinnalla, koska kitka vaikuttaa toisiaan koskettavien pintojen välillä. Palikan sisäenergia on kasvanut mekaanisen työn siirtämän energian myötä.

Puupalikan koskettaminen ja hankaaminen kasvattavat sen sisäenergiaa. Lämpökameran kuvat on otettu koskettamisen ja hankaamisen jälkeen.

 

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 [[$\Delta U>0$]].