Der erste Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass Wärme eine Energieform ist und thermodynamische Prozesse daher dem Prinzip der Energieeinsparung unterliegen. Dies bedeutet, dass Wärmeenergie nicht erzeugt oder zerstört werden kann. Es kann jedoch von einem Ort zum anderen übertragen und in und von anderen Energieformen umgewandelt werden.

Thermodynamik ist der Zweig der Physik, der sich mit den Beziehungen zwischen Wärme und anderen Energieformen befasst., Es beschreibt insbesondere, wie Wärmeenergie in und aus anderen Energieformen umgewandelt wird und wie sie Materie beeinflusst. Die Grundprinzipien der Thermodynamik werden in vier Gesetzen ausgedrückt.

„Das erste Gesetz besagt, dass die innere Energie eines Systems der Arbeit entsprechen muss, die auf dem System ausgeführt wird, plus oder minus der Wärme, die in das System oder aus dem System fließt, und jeder anderen Arbeit, die auf dem System ausgeführt wird“, sagte Saibal Mitra, Professor für Physik an der Missouri State University. „Es ist also eine Wiederherstellung der Energieeinsparung.,“

Mitra fuhr fort: „Die Änderung der internen Energie eines Systems ist die Summe aller Energieein-und-ausgänge zum und vom System, ähnlich wie alle Ein-und Auszahlungen, die Sie vornehmen, die Änderungen in Ihrem Bankguthaben bestimmen.“Dies wird mathematisch ausgedrückt als: ΔU = Q-W, wobei ΔU die Änderung der inneren Energie ist, Q die dem System hinzugefügte Wärme ist und W die vom System geleistete Arbeit ist., Jahrhundert hielten sich an die Kalorientheorie, die erstmals 1783 von Antoine Lavoisier vorgeschlagen und 1824 durch die Arbeit von Sadi Carnot unterstützt wurde, nach Angaben der American Physical Society. Kalorische Theorie behandelte Wärme als eine Art Flüssigkeit, die natürlich aus heißen in kalte Regionen floss, ähnlich wie Wasser von hohen zu niedrigen Orten fließt. Wenn diese kalorische Flüssigkeit aus einem heißen in einen kalten Bereich floss, konnte sie in kinetische Energie umgewandelt und so viel wie fallendes Wasser ein Wasserrad antreiben kann, arbeiten., Erst als Rudolph Clausius 1879 „The Mechanical Theory of Heat“ veröffentlichte, wurde die Kalorientheorie endgültig zur Ruhe gebracht.

Thermodynamische Systeme

Energie kann laut David McKee, Professor für Physik an der Missouri Southern State University, in zwei Teile geteilt werden. Eine davon ist unser makroskopischer Beitrag im menschlichen Maßstab, z. B. ein Kolben, der sich bewegt und auf ein Gassystem drückt. Umgekehrt passieren Dinge in einem sehr kleinen Maßstab, in denen wir die einzelnen Beiträge nicht verfolgen können.,

McKee erklärt: „Wenn ich zwei Metallproben gegeneinander lege und die Atome an der Grenze herumrasseln und zwei Atome ineinander springen und eines davon schneller abfällt als das andere, kann ich es nicht verfolgen. Es passiert auf einer sehr kleinen Zeitskala und einer sehr kleinen Entfernung, und es passiert viele, viele Male pro Sekunde. Also teilen wir einfach die gesamte Energieübertragung in zwei Gruppen auf: das Zeug, das wir verfolgen werden, und das Zeug, das wir nicht verfolgen werden. Letzteres nennen wir Wärme.,“

Thermodynamische Systeme gelten allgemein als offen, geschlossen oder isoliert. Laut der University of California, Davis, tauscht ein offenes System frei Energie und Materie mit seiner Umgebung aus; Ein geschlossenes System tauscht Energie aus, aber keine Materie mit seiner Umgebung; und ein isoliertes System tauscht keine Energie oder Materie mit seiner Umgebung aus. Zum Beispiel erhält ein Topf mit kochender Suppe Energie vom Herd, strahlt Wärme aus der Pfanne aus und gibt Materie in Form von Dampf ab, der auch Wärmeenergie abführt. Dies wäre ein offenes system., Wenn wir einen festen Deckel auf den Topf legen, würde er immer noch Wärmeenergie ausstrahlen, aber er würde keine Materie mehr in Form von Dampf abgeben. Dies wäre ein geschlossenes System. Wenn wir jedoch die Suppe in eine perfekt isolierte Thermosflasche gießen und den Deckel verschließen würden, würde keine Energie oder Materie in das oder aus dem System gelangen. Dies wäre ein Isoliertes system.

In der Praxis jedoch perfekt isolierte Systeme nicht existieren kann. Alle Systeme übertragen Energie durch Strahlung in ihre Umgebung, egal wie gut sie isoliert sind., Die Suppe in der Thermoskanne bleibt nur einige Stunden heiß und erreicht am nächsten Tag Raumtemperatur. In einem anderen Beispiel können weiße Zwergsterne, die heißen Reste ausgebrannter Sterne, die keine Energie mehr produzieren, durch Lichtjahre nahezu perfekten Vakuums im interstellaren Raum isoliert werden, kühlen sich jedoch aufgrund von Energieverlust durch Strahlung schließlich von mehreren Zehntausenden ab Grad auf nahezu absoluten Nullpunkt. Obwohl dieser Prozess länger dauert als das gegenwärtige Zeitalter des Universums, gibt es kein Aufhalten.,

Wärmekraftmaschinen

Die häufigste praktische Anwendung des Ersten Gesetzes ist die Wärmekraftmaschine. Wärmekraftmaschinen wandeln Wärmeenergie in mechanische Energie um und umgekehrt. Die meisten Wärmekraftmaschinen fallen in die Kategorie der offenen Systeme. Das Grundprinzip einer Wärmekraftmaschine nutzt die Beziehungen zwischen Wärme, Volumen und Druck eines Arbeitsfluids aus. Diese Flüssigkeit ist typischerweise ein Gas, aber in einigen Fällen kann es während eines Zyklus Phasenänderungen von Gas zu Flüssigkeit und zurück zu einem Gas erfahren.

Wenn Gas erhitzt wird, dehnt es sich aus; Wenn dieses Gas jedoch begrenzt ist, erhöht es den Druck., Wenn die untere Wand der Einschlusskammer die Oberseite eines beweglichen Kolbens ist, übt dieser Druck eine Kraft auf die Oberfläche des Kolbens aus, wodurch er sich nach unten bewegt. Diese Bewegung kann dann genutzt werden, um Arbeiten auszuführen, die der Gesamtkraft entsprechen, die auf die Oberseite des Kolbens ausgeübt wird, mal der Entfernung, die der Kolben bewegt.

Es gibt zahlreiche Variationen der Grundwärmekraftmaschine. Zum Beispiel sind Dampfmaschinen auf externe Verbrennung angewiesen, um einen Kesseltank zu erhitzen, der das Arbeitsfluid, typischerweise Wasser, enthält., Das Wasser wird in Dampf umgewandelt und der Druck wird dann verwendet, um einen Kolben anzutreiben, der Wärmeenergie in mechanische Energie umwandelt. Kraftfahrzeugmotoren verwenden jedoch eine interne Verbrennung, bei der flüssiger Kraftstoff verdampft, mit Luft vermischt und in einem Zylinder über einem beweglichen Kolben gezündet wird, der ihn nach unten treibt.

Kühlschränke, Klimaanlagen und Wärmepumpen

Kühlschränke und Wärmepumpen sind Wärmemotoren, die mechanische Energie in Wärme umwandeln. Die meisten davon fallen in die Kategorie der geschlossenen Systeme. Wenn ein gas komprimiert wird, steigt seine Temperatur., Dieses heiße Gas kann dann Wärme in seine Umgebung übertragen. Wenn dann das komprimierte Gas expandieren darf, wird seine Temperatur kälter als vor dem Komprimieren, da während des heißen Zyklus ein Teil seiner Wärmeenergie entfernt wurde. Dieses kalte Gas kann dann Wärmeenergie aus seiner Umgebung aufnehmen. Dies ist der Arbeitsprinzip hinter einer Klimaanlage. Klimaanlagen produzieren eigentlich keine Kälte, sie entfernen Wärme. Das Arbeitsfluid wird im Freien durch eine mechanische Pumpe übertragen, wo es durch Kompression erhitzt wird., Als nächstes überträgt es diese Wärme an die Außenumgebung, normalerweise durch einen luftgekühlten Wärmetauscher. Dann wird es in Innenräumen zurückgebracht, wo es sich ausdehnen und abkühlen kann, damit es Wärme aus der Raumluft durch einen anderen Wärmetauscher aufnehmen kann.

Eine Wärmepumpe ist einfach eine Klimaanlage, die rückwärts läuft. Die Wärme aus dem komprimierten Arbeitsfluid wird verwendet, um das Gebäude zu erwärmen. Es wird dann nach draußen übertragen, wo es sich ausdehnt und kalt wird, wodurch es Wärme von der Außenluft aufnehmen kann, die selbst im Winter normalerweise wärmer ist als das kalte Arbeitsfluid.,

Geothermische oder Erdwärmeklimaanlagen und Wärmepumpensysteme verwenden lange U-förmige Rohre in Tiefbrunnen oder eine Reihe horizontaler Rohre, die in einem großen Bereich vergraben sind, durch den das Arbeitsfluid zirkuliert und Wärme auf oder von der Erde übertragen wird. Andere Systeme verwenden Flüsse oder Meerwasser, um das Arbeitsfluid zu erhitzen oder zu kühlen.