Le leggi della termodinamica sono ingannevolmente semplici da affermare, ma sono di vasta portata nelle loro conseguenze. La prima legge afferma che se il calore è riconosciuto come una forma di energia, allora l’energia totale di un sistema più il suo ambiente è conservata; in altre parole, l’energia totale dell’universo rimane costante.
La prima legge viene messa in atto considerando il flusso di energia attraverso il confine che separa un sistema dai suoi dintorni., Considera il classico esempio di un gas racchiuso in un cilindro con un pistone mobile. Le pareti del cilindro agiscono come il confine che separa il gas all’interno dal mondo esterno, e il pistone mobile fornisce un meccanismo per il gas di fare il lavoro espandendo contro la forza che tiene il pistone (presunto attrito) in posizione. Se il gas funziona W mentre si espande e / o assorbe calore Q dai suoi dintorni attraverso le pareti del cilindro, allora questo corrisponde a un flusso netto di energia W − Q attraverso il confine con l’ambiente circostante., Per conservare l’energia totale U, deve esserci una variazione di controbilanciamento ΔU = Q − W (1) nell’energia interna del gas. La prima legge prevede una sorta di rigoroso sistema di contabilità energetica in cui la variazione del conto energia (ΔU) equivale alla differenza tra depositi (Q) e prelievi (W).
Esiste un’importante distinzione tra la quantità ΔU e le relative quantità di energia Q e W., Poiché l’energia interna U è caratterizzata interamente dalle quantità (o parametri) che determinano in modo univoco lo stato del sistema all’equilibrio, si dice che sia una funzione di stato tale che qualsiasi cambiamento di energia è determinato interamente dagli stati iniziali (i) e finali (f) del sistema: ΔU = Uf − Ui. Tuttavia, Q e W non sono funzioni di stato. Proprio come nell’esempio di un palloncino di scoppio, il gas all’interno può fare alcun lavoro a tutti nel raggiungere il suo stato espanso finale, o potrebbe fare il massimo lavoro espandendo all’interno di un cilindro con un pistone mobile per raggiungere lo stesso stato finale., Tutto ciò che è richiesto è che il cambiamento di energia (ΔU) rimanga lo stesso. Per analogia, lo stesso cambiamento nel proprio conto bancario potrebbe essere raggiunto da molte diverse combinazioni di depositi e prelievi. Pertanto, Q e W non sono funzioni di stato, perché i loro valori dipendono dal particolare processo (o percorso) che collega gli stessi stati iniziale e finale. Così come è più significativo parlare del saldo nel proprio conto bancario rispetto al suo contenuto di deposito o prelievo, è significativo solo parlare dell’energia interna di un sistema e non del suo contenuto di calore o di lavoro.,
Da un punto di vista matematico formale, il cambiamento incrementale dU nell’energia interna è un differenziale esatto (vedi equazione differenziale), mentre i corrispondenti cambiamenti incrementali d’Q e d’W in calore e lavoro non lo sono, perché gli integrali definiti di queste quantità sono dipendenti dal percorso. Questi concetti possono essere utilizzati con grande vantaggio in una precisa formulazione matematica della termodinamica (vedi sotto Proprietà e relazioni termodinamiche).,
Motori termici
L’esempio classico di un motore termico è un motore a vapore, sebbene tutti i motori moderni seguano gli stessi principi. I motori a vapore funzionano in modo ciclico, con il pistone che si muove su e giù una volta per ogni ciclo. Il vapore caldo ad alta pressione viene ammesso al cilindro nella prima metà di ogni ciclo, quindi è consentito fuoriuscire di nuovo nella seconda metà. L’effetto complessivo è quello di prendere il calore Q1 generato bruciando un combustibile per fare vapore, convertire parte di esso per fare il lavoro, e di scarico il calore rimanente Q2 per l’ambiente ad una temperatura più bassa., L’energia termica netta assorbita è quindi Q = Q1-Q2. Poiché il motore ritorna al suo stato iniziale, la sua energia interna U non cambia (ΔU = 0). Pertanto, secondo la prima legge della termodinamica, il lavoro svolto per ogni ciclo completo deve essere W = Q1 − Q2. In altre parole, il lavoro svolto per ogni ciclo completo è solo la differenza tra il calore Q1 assorbito dal motore ad alta temperatura e il calore Q2 esaurito ad una temperatura inferiore. Il potere della termodinamica è che questa conclusione è completamente indipendente dal meccanismo di funzionamento dettagliato del motore., Si basa solo sulla conservazione complessiva dell’energia, con il calore considerato come una forma di energia.
Al fine di risparmiare sul carburante ed evitare di contaminare l’ambiente con il calore di scarto, i motori sono progettati per massimizzare la conversione del calore assorbito Q1 in lavoro utile e per ridurre al minimo il calore di scarto Q2. L’efficienza di Carnot (η) di un motore è definita come il rapporto W/Q1—cioè, la frazione di Q1 che viene convertita in lavoro., Poiché W = Q1-Q2, l’efficienza può anche essere espressa nella forma
(2)
Se non ci fossero rifiuti di calore a tutti, quindi Q2 = 0 e η = 1, corrispondente al 100 per cento di efficienza. Mentre la riduzione dell’attrito in un motore diminuisce il calore di scarto, non può mai essere eliminato; pertanto, c’è un limite su quanto piccolo Q2 può essere e quindi su quanto grande può essere l’efficienza. Questa limitazione è una legge fondamentale della natura-in realtà, la seconda legge della termodinamica (vedi sotto).