熱力学の第一法則は、熱はエネルギーの一形態であり、したがって熱力学的プロセスはエネルギー保存の原則の対象となると述べている。 この熱エネルギーを作成することはできませんまたは破壊されました。 しかし、それはある場所から別の場所に移動し、他の形態のエネルギーとの間で変換することができます。

熱力学は、熱と他の形態のエネルギーとの関係を扱う物理学の枝です。, 特に、熱エネルギーが他の形態のエネルギーとどのように変換され、それが物質にどのように影響するかを説明します。 熱力学の基本原理は四つの法則で表される。

“第一法則は、システムの内部エネルギーは、システム上で行われている作業、システムの内外に流れる熱とシステム上で行われている他の作業とプラスまたはマイナスに等しくなければならないと述べている”とミズーリ州立大学の物理学の教授であるサイバル-ミトラは述べている。 “だから、それはエネルギーの節約の再表記です。,”

Mitraは続けました、”システムの内部エネルギーの変化は、あなたが行うすべての入出金があなたの銀行残高の変化を決定する方法と同様に、システムとの間のすべてのエネルギー入力と出力の合計です。 ここで、ΔUは内部エネルギーの変化であり、Qはシステムに加えられた熱であり、Wはシステムによって行われた作業である。,

歴史

18世紀後半から19世紀初頭の科学者は、1783年にAntoine Lavoisierによって最初に提案され、1824年にSadi Carnotの研究によってさらに強化されたカロリー理論 熱理論は熱を熱い地域から寒い地域に自然に流れた一種の液体として扱いました、高い場所からの低い場所への水流と同じように。 この熱の液体が熱いのから冷たい地域に流れたときに、運動エネルギーに変えられ、落ちる水が水車を運転できるように仕事をするために大いに作, それは熱理論が残りに最終的に置かれたことRudolph Clausiusが1879年に”熱の機械理論”を出版したまでなかった。

熱力学系

エネルギーは二つの部分に分けることができ、ミズーリ南部州立大学の物理学教授であるDavid McKee氏によると、エネルギーは二つの部分に分けることができます。 一つは、ガスのシステムを動かしたり押したりするピストンのような人間スケールの巨視的寄与です。 逆に、物事は、個々の貢献を追跡することができない非常に小さなスケールで起こります。,

マッキーは説明します”金属の二つのサンプルをお互いに向かって置き、原子が境界でガタガタしていて、二つの原子がお互いに跳ね返り、一方が他のものよりも速く外れると、私はそれを追跡することができません。 それは非常に小さな時間スケールと非常に小さな距離で起こります、そしてそれは毎秒何回も起こります。 だから、私たちはちょうど二つのグループにすべてのエネルギー移動を分割：私たちが追跡するつもりだものと、私たちが追跡するつもりはないもの。 これらの後者は私たちが熱と呼ぶものです。,”

熱力学系は、一般に、開いている、閉じている、または孤立しているとみなされる。 カリフォルニア大学デイビスによると、オープンシステムはエネルギーと物質をその周囲と自由に交換し、閉じたシステムはエネルギーを交換しますが、その周りとは問題ではありません。 例えば、沸騰したスープの鍋は、ストーブからエネルギーを受け取り、鍋から熱を放射し、蒸気の形で物質を放出し、熱エネルギーを運び去る。 これはオープンシステムになります。, しっかりと蓋をしておくと、熱エネルギーは放出されますが、蒸気の形で物質を放出しなくなります。 これは閉じたシステムになります。 しかし、完全に断熱された魔法瓶にスープを注ぎ、蓋を密閉すると、システムに出入りするエネルギーや物質はありません。 これは孤立したシステムになります。

しかし、実際には完全に隔離されたシステムは存在できません。 すべてのシステムはよく絶縁されてあっても放射によって環境にエネルギーを移す。, 魔法瓶のスープは数時間熱くとどまり、翌日までに室温に達します。 別の例では、白色矮星は、もはやエネルギーを生成しない燃え尽きた星の熱い残骸であり、星間空間ではほぼ完全真空の光年で絶縁することができますが、放射線によるエネルギー損失のために最終的には数万度から絶対零度近くまで冷却されます。 このプロセスは、宇宙の現在の時代よりも時間がかかりますが、それを止めることはありません。,

熱機関

最初の法則の最も一般的な実用的なアプリケーションは、熱機関です。 熱エンジンに変換し熱エネルギーを機械的エネルギーを開きます。 最も熱エンジンはオープンシステム。 熱機関の基本原則は作動流体の熱、容積および圧力間の関係を開発する。 この流体は、典型的には気体であるが、場合によっては、サイクル中に気体から液体への相変化および気体への相変化を受けることがある。

ガスが加熱されると膨張しますが、そのガスが閉じ込められると圧力が上昇します。, 閉じ込め室の底壁が可動ピストンの上部である場合、この圧力はピストンの表面に力を及ぼし、それを下方に移動させる。 この動きはそれからピストンが動く間隔を掛けるピストンの上に加えられる総力と等しい仕事をするために利用することができる。

基本的な熱機関には多くのバリエーションがあります。 例えば、蒸気機関は作動流体、普通水を含んでいるボイラータンクを熱するために外的な燃焼に頼ります。, 水は蒸気に変えられ、圧力が機械エネルギーに熱エネルギーを変えるピストンを運転するのに使用されています。 しかし、自動車のエンジンは、液体燃料を気化させ、空気と混合し、可動ピストンの上のシリンダー内で点火して下方に駆動する内燃機関を使用する。

冷蔵庫、エアコン、ヒートポンプ

冷蔵庫とヒートポンプは、機械的エネルギーを熱に変換する熱機関です。 これらのほとんどは閉鎖系のカテゴリーに分類されます。 ガスが圧縮されると、その温度が上昇する。, この熱いガスは周囲の環境にそれから熱を移すことができます。 それから、圧縮されたガスが拡大するとき熱エネルギーの一部が熱い周期の間に取除かれたので温度は圧縮された前にあったより冷たくなります。 この冷たいガスは環境からの熱エネルギーを吸収できます。 これはエアコンの後ろの働く校長である。 エアコンは実際に風邪を作り出さない;それらは熱を取除く。 作動流体は機械ポンプによって屋外に移され、そこで圧縮によって加熱される。, 次に、それはエア冷却された熱交換器を通して屋外の環境にその熱を、通常移します。 それから、それは別の熱交換器を通して屋内空気からの熱を吸収できるように拡大し、冷却することを許可される屋内で持ち帰られます。

ヒートポンプは、単に逆に実行されるエアコンです。 圧縮された作動流体からの熱が建物を暖めるのに使用されている。 それはそれからそれが拡大し、冷たくなるところで外に移り、それによりそれが冬に通常冷間作動流体より暖かい外の空気からの熱を吸収するよう,

地熱または地上源空調およびヒートポンプシステムは、深い井戸に長いU字型の管または作動流体が循環され、熱が地球にまたは地球から伝達される広い領域に埋め込まれた水平管の配列を使用する。 他のシステムは作動流体を熱するか、または冷却するのに川か海洋水を使用する。