กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์

กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ กล่าวถึง กฎทรงพลังงาน ความว่า

พลังงานภายในของระบบที่เพิ่มขึ้น เท่ากับปริมาณพลังงานความร้อนที่นำเข้าสู่ระบบ ลบด้วยพลังงานที่สูญเสียไปเป็นงานของระบบที่กระทำต่อสิ่งแวดล้อม

(The increase in the internal energy of a system is equal to the amount of energy added by heating the system, minus the amount lost as a result of the work done by the system on its surroundings.)

กล่าวคือ พลังงานในระบบอุณหพลศาสตร์หนึ่ง ๆ จะมีค่ารวมเท่าเดิมเสมอ ความร้อนที่เกิดขึ้นคือกระบวนการนำพลังงานเข้าสู่ระบบจากแหล่งอุณหภูมิสูง หรือสูญเสียออกจากระบบโดยส่งออกไปยังแหล่งอุณหภูมิต่ำ พลังงานนี้อาจสูญเสียไปจากการเกิดงานทางกลต่อสิ่งแวดล้อมของระบบ หรืออาจกล่าวว่าการทำให้เกิดงานทางกลต่อสิ่งแวดล้อมทำให้เกิดพลังงานขึ้นก็ได้ กฎข้อที่หนึ่งกล่าวถึงพลังงานเหล่านี้ว่ามีผลรวมคงที่ นั่นคือ การเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายใน ย่อมจะเท่ากับปริมาณความร้อนที่นำเข้าระบบ ลบด้วยปริมาณความร้อนที่สูญเสียออกจากระบบ (ซึ่งทำให้เกิดงานทางกลต่อสิ่งแวดล้อม)

สมการ

สำหรับระบบเทอร์โมได้นามิกแบบปิด, กฎข้อแรกของเทอร์โมไดนามิกได้กล่าวไว้ว่า

$\delta Q=\mathrm {d} U+\delta W$ หรือเท่ากับ $\mathrm {d} U=\delta Q-\delta W,$

โดยที่ $\delta Q$ คือปริมาณของพลังงานที่เพิ่มเข้ามาในระบบโดยกระบวนการความร้อน, $\delta W$ เป็นปริมาณของพลังงานที่สูญเสียไปจากระบบเนื่องจากงานที่กระทำโดยระบบไปที่สภาพแวดล้อมและ $\mathrm {d} U$ คือการเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายในของระบบ

เครื่องหมาย δ หน้าพจน์ของความร้อนและงานนั้นใช้เพื่อบ่งบอกถึงการเพิ่มขึ้นของพลังงาน ซึ่งเป็นคนละความหมายกับ $\mathrm {d} U$ ซึ่งหมายถึงการเพิ่มขึ้นของพลังงานภายใน (ดูเพิ่มได้ที่ Inexact differential) งานและความร้อนหมายถึงกระบวนการที่ทำให้เกิดการเพิ่มหรือหายไปของพลังงานในระบบ ในขณะที่พลังงานภายใน $U$ เป็นสมบัติในสภาวะหนึ่งของระบบเมื่อระบบไม่มีการเปลี่ยนแปลงสภาพสมดุลทางความร้อนนั่นคือ พจน์ "พลังงานความร้อน" $\delta Q$ หมายถึง "ปริมาณของพลังงานที่ถูกเพิ่มเข้ามาเนื่องจากผลของการให้ความร้อน" ไม่ได้หมายถึงรูปแบบของพลังงานชนิดหนึ่ง เช่นเดียวกันพจน์ "งาน" $\delta W$ หมายถึง "ปริมาณของพลังงานที่สูญเสียไปซึ่งเป็นผลมาจากงาน" นั่นคือคน ๆ หนึ่งสามารถบอกถึงปริมาณของพลังงานภายในของระบบความร้อนได้โดยรู้สถานะหนึ่งของระบบแต่ไม่สามารถบอกได้ว่าก่อนหน้านั้นมีพลังงานเท่าไหร่ไหลเข้าหรืออกจากระบบเนื่องจากผลของการร้อนขึ้นหรือเย็นลงหรือจากงานที่กระทำหรือถูกกระทำ โดยรู้เพียงแค่สถานะหนึ่งของระบบ

เอนโทรปี เป็นฟังก์ชั่นของสถานะของระบบซึ่งบอกถึงข้อจำกัดของความเป็นไปได้ในการแปลงความร้อนเป็นงาน

สำหรับระบบยุบตัวได้อย่างง่าย (simple compressible system), งานที่ถูกกระทำโดยระบบสามารถอธิบายได้โดย

$\delta W=P\,\mathrm {d} V,$

ซึ่ง $P$ หมายถึงความดันและ $dV$ คือ การเปลี่ยนแปลงเล็ก ๆ ของปริมาตรของระบบ, ซึ่งแต่ละตัวเป็นตัวแปรของระบบ ในกรณีสมมุติที่กระบวนการเป็นกระบวนการอดุมคติและช้าอย่างเป็นอนันต์ หรือที่เรียกว่า กระบวนการกึ่งคงที่ (quasi-static) และเป็นกระบวนการย้อนกลับได้, ความร้อนที่ถูกถ่ายโอนจากแหล่งกำเนิดด้วยอุณหภูมิที่มากกว่าอณหภูมิของระบบซึ่งมากกว่าแบบน้อยมาก ๆ จนเป็นอนันต์ หรือเรียกว่ามากกว่าแบบกณิกนันต์ (infinitesimally), พลังงานความร้อนนี้สามารถอธิบายได้โดย

$\delta Q=T\,\mathrm {d} S,$

โดยที่ $T$ คืออุณหภูมิและ $\mathrm {d} S$ คือการเปลี่ยนแปลงเล็ก ๆ ของเอนโทรปีของระบบ ซึ่งอุณหภูมิและเอนโทรปีเป็นตัวแปรของระบบ

ถ้าระบบเปิด (โดยที่อาจมีการแลกเปลี่ยนมวลกับสภาพแวดล้อมได้) มีกำแพงหลายกำแพงซึ่งมวลมีการแลกเปลี่ยนผ่านกำแพงที่แยกระหว่างความร้อนและงานที่แลกเปลี่ยนแล้ว กฎข้อแรกของเทอร์โมไดนามิกสามารถเขียนได้ดังนี้

$\mathrm {d} U=\delta Q-\delta W+u'\,dM,$

โดยที่ $dM$ คือมวลที่เพิ่มเข้ามาและ $u'$ คือพลังงานภายในต่อหน่วยมวลของมวลที่เพิ่มเข้ามา ซึ่งวัดจากสภาพแวดล้อมก่อนเกิดกระบวนการ

อ้างอิง

• Goldstein, Martin, and Inge F. (1993). The Refrigerator and the Universe. Harvard University Press. ISBN 0-674-75325-9. OCLC 32826343. Chpts. 2 and 3 contain a nontechnical treatment of the First Law.
• Çengel Y.A. and Boles M. (2007). "Thermodynamics: an engineering approach". McGraw-Hill Higher Education. ISBN 0-07-125771-3. Chapter 2.
• Atkins P. (2007). "Four Laws that drive the Universe". OUP Oxford. ISBN 0-19-923236-9.