Prvi princip termodinamike

Prvi princip termodinamike je varijanta univerzalnog zakona fizike o očuvanju energije. Prvi princip termodinamike glasi: povećanje unutrašnje energije zatvorenog termodinamičkog sistema jednaka je toplotnoj energiji dodatoj sistemu minus izvršen rad sistema. Ili jednostavnije rečeno ukupna dovedena energija nekom sistemu troši se na izvršeni rad i na povećanje unutrašnje energije sistema.

Ovaj princip se matematički izražava formulom:

$\Delta U=Q-W\,$

• $\Delta U\,$ je promena unutrašnje energije sistema.
• $W\,$ je deo energije koji odgovara izvršenom radu sistema u odnosu na okolinu.
• $Q\,$ je količina toplotne energije.

Postoji više mogućih vrsta rada: rad sila pritiska, rad električnih sila u hemijskoj bateriji, rad elektromagnetnih sila, itd.

Ako se radi o mehaničkom radu pod silama pritiska, kao što je slučaj u klasičnoj termodinamici, izraz za priraštaj toplotne energije sistema glasi:

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

Znak - označava da se sistem širi (dV > 0 ), a rad vrše spoljašnje sile.

$p_{ext}\,$ je spoljašnji pritisak

$dV\,$ je minimalni priraštaj zapremine

Istorija

U prvoj polovini osamnaestog veka, francuski filozof i matematičar Emili di Šatle dala je značajan doprinos nastajanju teorijskog okvira energije predlažući oblik zakona očuvanja energije koji priznaje uključivanje kinetičke energije. Empirijski razvoj prvih ideja, u narednom veku, borio se sa kontradiktornim konceptima kao što je kalorijska teorija toplote.

Germejn Hes je 1840. godine objavio zakon očuvanja (Hesov zakon) za toplotu reakcije tokom hemijskih transformacija. Ovaj zakon je kasnije prepoznat kao posledica prvog zakona termodinamike, mada se Hesova izjava se nije eksplicitno bavila odnosom između razmene energije toplotom i radom.

Godine 1842, Julius Robert fon Majer dao je iskaz koji je zatim Kliford Trusdel (1980) izrazio tvrdnjom da se „u procesu pod konstantnim pritiskom, toplota koja se koristi za širenje može univerzalno izmenjivati sa radom”, međutim to nije opšti iskaz prvog zakona.

Prve potpune izjave o zakonu došle su 1850. od Rudolfa Klauzijusa, i od Vilijama Rankina. Neki naučnici smatraju Rankinovu izjavu manje izrazitom od Klauzijusove.

Originalne izjave: „termodinamički pristup“

Originalni iskazi prvog zakona termodinamike iz 19. veka pojavili su se u konceptualnom okviru u kome je prenos energije kao toplote uzet kao primitivan pojam, koji nije definisan ili konstruisan teorijskim razvojem okvira, već pretpostavljen kao i ranije i već prihvaćen. Primitivni pojam toplote uzet je kao empirijski uspostavljen, posebno putem kalorimetrije koja se smatra subjektom sama po sebi, pre termodinamike. Zajedno sa ovim pojmom toplote primitivni su bili pojmovi empirijske temperature i toplotne ravnoteže. Ovaj okvir je takođe uzeo kao primitivan pojam prenos energije kao rada. Ovaj okvir nije pretpostavljao koncept energije uopšte, već ga je smatrao izvedenim ili sintetisanim iz prethodnih pojmova toplote i rada. Jedan autor je ovaj okvir nazvao „termodinamičkim“ pristupom.

Prvi eksplicitni iskaz prvog zakona termodinamike, Rudolfa Klauzijusa 1850. godine, odnosio se na ciklične termodinamičke procese.

U svim slučajevima u kojima rad proizvodi iz toplotne, troši se količina toplote koja je proporcionalna obavljenom poslu; i obrnuto, trošenjem date količine rada proizvodi se jednaka količina toplote.

Klauzijus je takođe izneo zakon u drugom obliku, pozivajući se na postojanje funkcije stanja sistema, unutrašnje energije, i izrazio ga u vidu diferencijalne jednačine za priraste termodinamičkog procesa. Ova jednačina se može opisati na sledeći način:

U termodinamičkom procesu koji uključuje zatvoreni sistem, prirast unutrašnje energije jednak je razlici između toplote koju sistem akumulira i njegovog rada.

Vidi još

• Zakoni termodinamike
• Nulti princip termodinamike
• Drugi princip termodinamike
• Treći princip termodinamike
• Postulati termodinamike

Literatura

• Arianrhod, Robyn (2012). Seduced by logic : Émilie du Châtelet, Mary Somerville, and the Newtonian revolution (US izd.). 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, ISBN 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, ISBN 978-3-540-45469-4.
• Bailyn, M. (1994). A Survey of Thermodynamics, American Institute of Physics Press, New York, ISBN 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, ISBN 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, ISBN 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, ISBN 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, ISBN 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, ISBN 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, ISBN 1-86094-347-0. str. 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, ISBN 0-19-851142-6.
• Lebon, G., Jou, D., Casas-Vázquez, J. (2008). Understanding Non-equilibrium Thermodynamics, Springer, Berlin, ISBN 978-3-540-74251-7.
• Mandl, F. (1988) [1971]. Statistical Physics (2nd izd.). 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, ISBN 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, ISBN 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, ISBN 0-12-701350-4.
• Tschoegl, N. W. (2000). Fundamentals of Equilibrium and Steady-State Thermodynamics, Elsevier, Amsterdam, ISBN 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. 

Spoljašnje veze

• 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