قانون اول ترمودینامیک: پایستگی انرژی در سیستم‌ها

قانون اول ترمودینامیک: پایستگی انرژی در سیستم‌ها

انرژی چیست و چه شکلی دارد؟

قبل از هر چیز، باید با مفهوم انرژی آشنا شویم. انرژی را توانایی انجام کار می‌دانند. هر چیزی که حرکت کند، گرم شود، بلند شود یا روشنایی ایجاد کند، در حال مصرف یا تولید انرژی است. انرژی شکل‌های مختلفی دارد. وقتی توپی را به بالا پرتاب می‌کنید، به آن انرژی جنبشی^[8] (انرژی ناشی از حرکت) و انرژی پتانسیل گرانشی^[9] (انرژی ناشی از ارتفاع) می‌دهید. وقتی آب را می‌جوشانید، انرژی گرمایی^[10] به آن داده‌اید. انرژی در باتری‌ها به شکل شیمیایی^[11] ذخیره می‌شود. قانون اول ترمودینامیک درباره‌ی رابطه‌ی بین این شکل‌های مختلف انرژی صحبت می‌کند.

بیان ریاضی قانون اول: معادله‌ای که دنیا را توصیف می‌کند

دانشمندان برای توصیف دقیق این قانون از یک رابطه‌ی ریاضی استفاده می‌کنند. فرض کنید یک سیستم ترمودینامیکی داریم (مثل گاز داخل یک سیلندر). تغییر در انرژی درونی (U) این سیستم، برابر است با مجموع گرمای (Q) وارد شده به سیستم منهای کاری (W) که سیستم روی محیط اطرافش انجام می‌دهد.

این معادله قلب قانون اول است. به زبان ساده می‌گوید: «اگر به سیستمی گرما بدهید (Q)، این انرژی یا باعث افزایش انرژی درونی آن می‌شود ($\Delta U$) و یا باعث می‌شود سیستم کار انجام دهد (W)، یا ترکیبی از هر دو. انرژی گم‌شدنی ندارد.»

سیستم، محیط و مرز: کجا قانون اول حاکم است؟

برای درک بهتر، باید سه مفهوم را از هم جدا کنیم:

قانون اول برای سیستم بسته (که جرم وارد یا خارج نمی‌شود اما انرژی می‌تواند تبادل شود) به شکل معادله‌ی فوق صادق است. برای سیستم ایزوله^[12] (که نه جرم و نه انرژی مبادله می‌کند)، تغییر انرژی درونی صفر است: $\Delta U = 0$.

کاربردهای قانون اول: از موتور خودرو تا بدن شما

این قانون فقط یک تئوری خشک نیست، بلکه پایه‌ی عملکرد بسیاری از دستگاه‌های اطراف ماست.

1. موتورهای حرارتی (مثل موتور ماشین): در این موتورها، انرژی شیمیایی سوخت (بنزین) با سوختن به گرما (Q) تبدیل می‌شود. این گرما باعث انبساط گازها و انجام کار مکانیکی (W) برای به حرکت درآوردن پیستون‌ها می‌شود. بخشی از انرژی هم به صورت گرما از اگزوز و رادیاتور تلف می‌شود. قانون اول به ما می‌گوید کل انرژی ورودی (سوخت) با مجموع کار خروجی و گرمای تلف شده برابر است.

2. بدن انسان: بدن یک سیستم ترمودینامیکی پیچیده است. انرژی شیمیایی غذا (Q) وارد بدن می‌شود. این انرژی صرف انجام کارهای مختلف مثل حرکت عضلات (W)، حفظ دمای بدن و عملکرد اندام‌ها (افزایش $\Delta U$) می‌شود. اگر انرژی ورودی بیش از مصرف باشد، در بدن به شکل چربی (افزایش انرژی درونی) ذخیره می‌شود.

3. یخچال و کولر گازی: این دستگاه‌ها برخلاف موتورها کار می‌کنند. آنها با صرف کار الکتریکی (W) از خارج، گرما (Q) را از فضای داخلی (سیستم سردتر) گرفته و به محیط بیرون (سیستم گرمتر) منتقل می‌کنند. در اینجا کار انجام‌شده روی سیستم (یخچال) منجر به خروج گرما از آن می‌شود.

آزمایش ذهنی: ماشین حرکت دائمی نوع اول و چرا غیرممکن است

بسیاری در گذشته به دنبال ساخت دستگاهی به نام «ماشین حرکت دائمی نوع اول» بودند. این ماشین فرضی می‌بایست بدون دریافت انرژی از خارج، کار نامحدودی تولید کند یا حتی انرژی خالص ایجاد نماید. قانون اول ترمودینامیک به صراحت غیرممکن بودن چنین دستگاهی را اعلام می‌کند. زیرا اگر سیستمی کاری انجام دهد (W>0) بدون اینکه به آن گرما داده شود (Q=0)، باید انرژی درونی آن کاهش یابد ($\Delta U<0$). پس پس از مدتی انرژی درونی سیستم تمام می‌شود و ماشین از کار می‌افتد. نمی‌توان از هیچ، انرژی تولید کرد.

اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم

پاورقی

[1] قانون اول ترمودینامیک (First Law of Thermodynamics).
[2] پایستگی (Conservation).
[3] سیستم (System).
[4] انرژی درونی (Internal Energy) که با نماد U نشان داده می‌شود. مجموع انرژی‌های جنبشی و پتانسیل ذرات درون سیستم.
[5] کار (Work) که با نماد W نشان داده می‌شود. انتقال انرژی از طریق اعمال نیرو در یک مسافت.
[6] گرما (Heat) که با نماد Q نشان داده می‌شود. انتقال انرژی به دلیل اختلاف دما.
[7] تبدیل انرژی (Energy Conversion).
[8] انرژی جنبشی (Kinetic Energy): $KE = \frac{1}{2}mv^2$.
[9] انرژی پتانسیل گرانشی (Gravitational Potential Energy): $PE = mgh$.
[10] انرژی گرمایی (Thermal Energy).
[11] انرژی شیمیایی (Chemical Energy).
[12] سیستم ایزوله (Isolated System).