Prima lege a termodinamicii – Convenții termodinamice

Acum, că am văzut cum se calculează energia internă, căldura și lucrul mecanic efectuat pentru un sistem termodinamic care suferă o schimbare în timpul unui proces, putem vedea cum aceste mărimi interacționează pentru a afecta cantitatea de schimbare care poate apărea. Această interacțiune este dată de prima lege a termodinamicii. Omul de știință și romancierul britanic C. P. Snow (1905–1980) este creditat cu o glumă despre cele patru legi ale termodinamicii. Afirmația sa umoristică despre prima lege a termodinamicii este „nu poți câștiga” sau, cu alte cuvinte, nu poți obține dintr-un sistem mai multă energie decât pui în el. Vom vedea în acest capitol cum energia internă, căldura și lucrul mecanic joacă toate un rol în prima lege a termodinamicii.

Să presupunem că Q reprezintă căldura schimbată între un sistem și mediu, iar W este lucrul mecanic efectuat de sau asupra sistemului. Prima lege afirmă că schimbarea energiei interne a acelui sistem este dată de Q – W. Deoarece căldura adăugată crește energia internă a unui sistem, Q este pozitiv atunci când este adăugată în sistem și negativ atunci când este eliminată din sistem.

Când un gaz se dilată, efectuează lucru mecanic și energia sa internă scade. Astfel, W este pozitiv atunci când lucru mecanic este efectuat de sistem și negativ atunci când este efectuat asupra sistemului. Această convenție de semne este rezumată în Tabelul 3.1. Prima lege a termodinamicii este enunțată după cum urmează:

PRIMA LEGE A TERMODINAMICII Fiecărei stări de echilibru a unui sistem îi este asociată energia sa internă Eint. Modificarea lui Eint pentru orice tranziție între două stări de echilibru este (3.7)   ΔEint = Q − W unde Q și W reprezintă, respectiv, căldura schimbată de sistem și lucrul mecanic efectuat de sau asupra sistemului.

 

Convenții termodinamice ale semnelor pentru căldură și lucru mecanic
Proces	Convenție
Căldură adăugată sistemului	Q > 0
Căldura eliminată din sistem	Q < 0
Lucru mecanic efectuat de sistem	W > 0
Lucru mecanic efectuat asupra sistemului	W < 0

Tabel 3.1

Prima lege este o afirmație a conservării energiei. Ne spune că un sistem poate schimba energie cu mediul înconjurător prin transmiterea căldurii și prin efectuarea lucrului mecanic. Energia netă schimbată este atunci egală cu schimbarea energiei mecanice totale a moleculelor sistemului (adică energia internă a sistemului). Astfel, dacă un sistem este izolat, energia sa internă trebuie să rămână constantă.

Deși Q și W depind ambele de calea termodinamică parcursă între două stări de echilibru, diferența lor Q − W nu depinde de aceasta. Figura 3.7 prezintă diagrama pV a unui sistem care face tranziția de la A la B în mod repetat pe diferite căi termodinamice. De-a lungul căii 1, sistemul absoarbe căldura Q₁ și efectuează lucrul mecanic W₁; de-a lungul căii 2, absoarbe căldura Q₂ și efectuează lucrul mecanic W2 și așa mai departe. Valorile lui Q_i și W_i pot varia de la o cale la alta, dar avem

Q₁ − W₁ = Q₂ − W₂ = ⋯ = Q_i – W_i = ⋯,

sau

ΔE_int1 = ΔE_int2 = ⋯ = ΔE_inti = ⋯.

Adică, schimbarea energiei interne a sistemului între A și B este independentă de cale. În capitolul despre energia potențială și conservarea energiei, am întâlnit o altă mărime independentă de cale: schimbarea energiei potențiale între două puncte arbitrare din spațiu. Această schimbare reprezintă negativul lucrului mecanic efectuat de o forță conservativă între cele două puncte. Energia potențială este o funcție a coordonatelor spațiale, în timp ce energia internă este o funcție a variabilelor termodinamice. De exemplu, am putea scrie E_int(T,p) pentru energia internă. Funcții precum energia internă și energia potențială sunt cunoscute sub numele de funcții de stare, deoarece valorile lor depind exclusiv de starea sistemului.

Figura 3.7 Diferite căi termodinamice parcurse de un sistem în trecerea de la starea A la starea B. Pentru toate tranzițiile, schimbarea energiei interne a sistemului ΔE_int = Q − W este aceeași.

Adesea, prima lege este utilizată în forma sa diferențială, care este

(3.8)   dE_int = dQ − dW.

Aici, dE_int este o schimbare infinitezimală a energiei interne atunci când o cantitate infinitezimală de căldură dQ este schimbată cu sistemul și o cantitate infinitezimală de lucru mecanic dW este efectuată de (semn pozitiv) sau asupra (semn negativ) sistemului.

Sursa: University Physics (OpenStax), acces gratuit sub licență CC BY 4.0. Traducere de Nicolae Sfetcu. © 2025 MultiMedia Publishing, Fizica, Vol. 1-3