Pierwsza zasada termodynamiki jest konsekwencją zasady zachowania energii dla procesów termodynamicznych, jednak chronologia odkryć obydwu zasad była odwrotna – sformułowanie pierwszej zasady dynamiki doprowadziło do odkrycia zasady zachowania energii.
Pierwsza zasada termodynamiki głosi, że zmiana energii wewnętrznej układu (ΔU) jest równa sumie ciepła wymienionego przez układ z otoczeniem (Q) oraz pracy wykonanej nad lub przez ten układ (W):
ΔU = Q + W
W przypadku gdy, do układu dostarczana jest energia w formie ciepła lub wykonania pracy nad układem obydwie wielkości przyjmują wartość dodatnią, gdyż zwiększają energię wewnętrzną układu. Natomiast gdy układ oddaje ciepło do otoczenia i wykonuje pracę przeciwko siłą zewnętrznym, to zarówno ciepło, jak i praca są ujemne.
Pierwsza zasada termodynamiki – przykład.
Znajdź zmianę energii wewnętrznej układu w następujących przypadkach:
a) układ oddal ciepło o wartości 20J i wykonał pracę 80J,
b) układ pobrał ciepło o wartości 30J i wykonał pracę 30J,
c) układ nie wykonał pracy i nie zmienił swojej temperatury.
Rozwiązanie:
Zgodnie z ustaloną konwencją znaków, można napisać:
a) ΔU = -20J – 80J = - 100J – otrzymany wynik oznacza, że w wyniku tego procesu termodynamicznego, energia wewnętrzna układu zmniejszyła się o 100J.
b) ΔU = 30J – 30J = 0J – w wyniku tego procesu energia układu nie uległa zmianie.
c) Ponieważ układ nie wykonał pracy oraz nie zmienił swojej temperatury, to nie mógł nastąpić proces wymiany ciepła, więc zmiana energii wewnętrznej jest w tym przypadku równa zero.