W poprzednim rozdziale określiliśmy, co to jest energia wewnętrzna. Stwierdziliśmy, że jest to suma wszystkich rodzajów energii cząsteczek składowych. Stwierdziliśmy ponadto, że zasób energii wewnętrznej gazu zależy od temperatury gazu (jak i dowolnego ciała). Podczas różnych procesów temperatura, więc i energia wewnętrzna, mogą ulegać zmianie. Podczas przekazywania ciepła zachodzi zmiana energii wewnętrznej. Oprócz tego podczas wykonywania pracy również może zachodzić zmiana energii wewnętrznej. Tak więc podczas różnych procesów te trzy wielkości fizyczne: ciepło, praca i energia wewnętrzna, mogą ulegać zmianie. Jednakże, zgodnie z zasadą zachowania energii, muszą się one bilansować. Ten bilans energetyczny możemy zapisać w postaci wzoru:

Należy przy tym stosować właściwą konwencję dotyczącą znaku ciepła i pracy:

• Jeżeli ciepło jest dostarczane do ciała (układu ciał), to jest liczone ze znakiem plus – jest dodatnie.
• Jeżeli praca jest wykonywana nad ciałem (układem ciał) przez siły zewnętrzne, to jest liczona ze znakiem plus – jest dodatnia.
• Jeżeli ciepło jest odbierane od ciała (układu ciał), to jest liczone ze znakiem minus – jest ujemne.
• Jeżeli pracę wykonuje ciało (układ ciał), to jest liczona ze znakiem minus – jest ujemna.

Związek (7.7) nosi nazwę pierwszej zasady termodynamiki, która słowami wyraża się następująco:

Zmiana energii wewnętrznej ciała lub układu ciał jest równa ciepłu dostarczonemu oraz pracy wykonanej nad ciałem (układem ciał).

Pierwsza zasada termodynamiki jest prawem zachowania energii w odniesieniu do procesów termodynamicznych. Treść tej zasady zwraca uwagę na specyficzną formę przekazywania energii za pomocą ciepła. Zasada ta jest ogólniejsza od zasady zachowania energii mechanicznej.

Należy tutaj zaznaczyć, że chociaż praca i ciepło zależą od procesu termodynamicznego, to przyrost energii wewnętrznej nie zależy od konkretnego procesu, lecz tylko od stanu początkowego i końcowego układu termodynamicznego. Między tymi stanami mogą zachodzić różne procesy, ale zmiana energii wewnętrznej zawsze będzie jednakowa. Dzieje się tak dlatego, że energia wewnętrzna jest jednoznaczną funkcją stanu układu. Wrócimy jeszcze do tego zagadnienia przy omawianiu przemiany izochorycznej gazów.

Zasada zachowania energii mechanicznej obowiązuje w układzie odosobnionym (izolowanym). Jest to taki układ, w którym można zaniedbać działanie sił zewnętrznych w porównaniu z siłami działającymi wewnątrz układu.

Zasada zachowania energii obowiązuje w układzie adiabatycznie izolowanym. Jest to układ izolowany zarówno od działania sił zewnętrznych, jak i od wymiany ciepła z otoczeniem.

W rzeczywistości idealnie izolowanych adiabatycznie układów nie da się w pełni zrealizować. Można jednak przybliżyć warunki tak, aby uzyskać izolację adiabatyczną układu z dużą dokładnością.

Przykładem dobrej izolacji adiabatycznej może być izolacja cieplna uzyskana w termosie. Główna część termosu nazywa się naczyniem Dewara (il. 7.5). Jest to naczynie o podwójnych ściankach, między którymi panuje wysoka próżnia, wykonane zwykle z cienkiego szkła. Próżnia jest dobrym izolatorem, gdyż przez próżnię nie może zachodzić przepływ ciepła w postaci konwekcji ani przewodzenia. Ponadto w celu zminimalizowania utraty ciepła przez promieniowanie wewnętrzną ściankę się posrebrza. Uzyskuje się w ten sposób powierzchnię lustrzaną odbijającą promieniowanie.

Należy też zwrócić uwagę na to, że przepływ ciepła nie zachodzi natychmiast. Do przepływu ciepła potrzebny jest czas, zwykle dużo dłuższy niż do przekazywania energii za pomocą innych procesów. Dlatego w krótkich przedziałach czasu w przypadku szybkich procesów typu wybuch lub uderzenie układ możemy traktować jako izolowany adiabatycznie.

Dzięki wprowadzeniu pojęcia układu izolowanego adiabatycznie możemy sformułować zasadę zachowania energii w ogólnej postaci:

Oczywiście, rozumiemy, że prawo zachowania energii dotyczy energii całkowitej układu i nie jest konieczne, aby energia każdego z ciał należących do układu była stała – między ciałami układu mogą zachodzić różne procesy wymiany energii, ale całkowita energia układu musi pozostać stała.

Pytania i problemy

1. Jeżeli przeprowadzamy gaz z jednego określonego stanu do drugiego, to niezależnie od przeprowadzonego procesu przyrost energii wewnętrznej gazu będzie zawsze taki sam. Czy w każdym przypadku zużyte zostanie tyle samo ciepła?
2. Czy praca zużyta w dwóch różnych procesach gazowych zaczynających się i kończących tymi samymi stanami będzie jednakowa? Odpowiedź uzasadnij.
3. Sformułuj pierwszą zasadę termodynamiki. Zastosuj tę zasadę do przedstawienia sposobów zmiany energii wewnętrznej gazu.
4. Omów związek pierwszej zasady termodynamiki z zasadą zachowania energii.
5. Przedstaw warunek, jaki musi być spełniony, by układ można było uznać za adiabatycznie izolowany.
6. Podaj brzmienie zasady zachowania energii w postaci ogólniejszej niż stosowana w mechanice.