قانون اول ترمودینامیک: جادوی ناپدیدنشدنی انرژی
انرژی چیست و چه شکلهایی دارد؟
قبل از پرداختن به قانون، باید با خود انرژی آشنا شویم. انرژی را میتوان توانایی انجام کار تعریف کرد. همهچیز در اطراف ما حاوی انرژی است. انرژی شکلهای گوناگونی دارد که مهمترین آنها برای درک این قانون عبارتند از:
| نوع انرژی | تعریف ساده | مثال ملموس |
|---|---|---|
| انرژی جنبشی5 | انرژی ناشی از حرکت یک جسم. | توپ در حال حرکت، باد، جریان آب رودخانه. |
| انرژی پتانسیل6 | انرژی ذخیرهشده در یک جسم به دلیل موقعیت یا وضعیت آن. | سنگ بالای کوه، فنر فشردهشده، باتری. |
| انرژی درونی7 (گرمایی) | انرژی ذرات ریز تشکیلدهندهی یک جسم (انرژی جنبشی و پتانسیل ذرات). | گرمای یک لیوان چای، دمای بدن. |
| انرژی شیمیایی | انرژی ذخیرهشده در پیوندهای بین اتمهای یک ماده. | غذا، سوخت (بنزین، گاز)، مواد منفجره. |
بیان ریاضی قانون: معادلهای برای همه چیز
قانون اول ترمودینامیک را میتوان با یک معادلهی ساده اما بسیار قدرتمند بیان کرد. این معادله رابطهی بین تغییر انرژی درونی یک سیستم، گرمای مبادلهشده و کار انجامشده را نشان میدهد.
$\Delta U$ (دلتا یو): تغییر انرژی درونی سیستم.
$Q$ (کیو): گرمای وارد شده به سیستم (اگر سیستم گرما دریافت کند مثبت، اگر از دست بدهد منفی است).
$W$ (دبلیو): کار انجامشده توسط سیستم (اگر سیستم روی محیط کار انجام دهد مثبت است، اگر محیط روی سیستم کار کند منفی است).
این معادله میگوید: «تغییر انرژی درونی یک سیستم، برابر است با گرمای خالص وارد شده به سیستم منهای کار خالص انجامشده توسط سیستم». به زبان سادهتر: اگر به یک سیستم انرژی بدهیم (گرما) و از آن انرژی بگیریم (کار)، باقیماندهی انرژی در خود سیستم ذخیره میشود و باعث تغییر دمای یا حالت آن میشود.
پایستگی انرژی در زندگی روزمره: از ورزش تا خودرو
این قانون انتزاعی نیست؛ شما هر روز آن را تجربه میکنید. بیایید چند مثال بزنیم:
مثال ۱: دوچرخهسواری در سربالایی
وقتی با دوچرخه به بالای یک تپه میروید، انرژی شیمیایی ذخیرهشده در بدن شما (از طریق غذا) به کار مکانیکی (پا زدن) تبدیل میشود. این کار، انرژی پتانسیل گرانشی8 شما و دوچرخه را افزایش میدهد. اما بخشی از انرژی شما نیز به دلیل اصطکاک و مقاومت هوا، به گرما تبدیل میشود (بدن شما گرم میشود). در اینجا: $\text{انرژی شیمیایی} = \text{انرژی پتانسیل افزایشیافته} + \text{انرژی گرمایی تلفشده}$. انرژی کل حفظ شده است.
مثال ۲: ترمز گرفتن خودرو
وقتی خودرویی با سرعت در حرکت است (انرژی جنبشی زیاد). با فشردن پدال ترمز، لنتها به دیسک چرخ ساییده میشوند. اصطکاک شدید، انرژی جنبشی خودرو را به انرژی گرمایی تبدیل میکند. به همین دلیل دیسک چرخها داغ میشود. انرژی جنبشی از بین نرفته، فقط شکل آن عوض شده است.
مثال ۳: نوشیدن یک لیوان آب سرد
وقتی آب سرد مینوشید، بدن شما که گرمتر است، به آب گرما ($Q$) منتقل میکند تا دمای آن را به دمای بدن نزدیک کند. این گرمای دادهشده، انرژی درونی آب را افزایش میدهد ($\Delta U$ مثبت میشود). در عوض، انرژی درونی بدن شما اندکی کاهش مییابد و احساس خنکی میکنید. تبادل انرژی رخ داده، اما مجموع آن ثابت مانده است.
سیستم، محیط و مرز: محدودهی بررسی قانون
برای تحلیل مسائل با قانون اول، باید دقیقاً مشخص کنیم که چه چیزی را مطالعه میکنیم. اینجا سه مفهوم کلیدی داریم:
| مفهوم | توضیح | مثال |
|---|---|---|
| سیستم | بخشی از جهان که آن را برای مطالعه انتخاب میکنیم. | گاز داخل یک سیلندر، باتری قلمی، بدن انسان. |
| محیط | همهچیز خارج از سیستم که با آن در تعامل است. | هوا، میز، سایر اجسام اطراف سیلندر. |
| مرز | سطح فرضی یا واقعی که سیستم را از محیط جدا میکند. | دیوارههای سیلندر، پوستهی باتری، پوست بدن. |
نکته مهم: قانون اول ترمودینامیک برای سیستم ایزوله به بهترین شکل معنا میشود. سیستم ایزوله سیستمی است که نه جرم و نه انرژی با محیط خود مبادله میکند (مانند محتویات یک فلاسک9 ایدهآل). در چنین سیستمی، انرژی درونی ($\Delta U$) همیشه ثابت است، زیرا $Q=0$ و $W=0$ است.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر. چنین دستگاهی محرک اول نامیده میشود و بر اساس قانون اول ترمودینامیک غیرممکن است. برای انجام کار پیوسته ($W$)، باید انرژی به سیستم وارد شود ($Q$ یا کاهش انرژی ذخیرهشده). انرژی نمیتواند از هیچ به وجود آید.
پاسخ: هرگز. انرژی شیمیایی ذخیرهشده در باتری صرف انجام کار (مثلاً روشن کردن چراغ قوه) شده است. این کار به صورت انرژی نور و گرما (از لامپ و مدار) به محیط بازگردانده شده است. کل انرژی حفظ شده، اما باتری دیگر نمیتواند از آن انرژی به شکل مفید استفاده کند.
پاسخ: وقتی میگوییم "صرفهجویی کنید"، منظور حفظ انرژی به معنای فیزیکی آن نیست (که همواره محفوظ است). بلکه منظورمان صرفهجویی در انرژیهای مفید و گرانقیمت مانند سوختهای فسیلی است که به راحتی به شکلهای دیگر (معمولاً گرمای غیرقابل استفاده) تبدیل میشوند و ما مجبوریم برای تهیهی دوبارهی آنها هزینه کنیم.
پاورقی
1 First Law of Thermodynamics - 2 Law of Conservation of Energy - 3 System - 4 Isolated - 5 Kinetic Energy - 6 Potential Energy - 7 Internal Energy - 8 Gravitational Potential Energy - 9 Thermos
