القانون الأول للديناميكا الحرارية

كان الباحثون القدامى في مجال الديناميكا الحرارية أول من توصل إلى فكرة بقاء الطاقة. وبعد أن تمكن هؤلاء العلماء من إثبات أن الحرارة صورة من صور الطاقة، أصبح من الضروري أن تؤخذ الحرارة في الاعتبار عند إعداد "حساب الأرباح والخسائل" في الطاقة ؛ وبهذه الطريقة أمكنهم التوصل إلى علاقة اساسية هامة بين الحرارة والشغل والطاقة الداخلية. لنتعرف الآن على هذه العلاقة.

لكل نظام في حالة معينة كمية محدودة من الطاقة الداخلية ، وإننا نتساءل الآن عما يحدث للنظام عندما تنساب إليه كمية من الحرارة. هذه الطاقة المضافة يمكن أن تستعمل بطريقتين: (1) زيادة الطاقة الداخلية للنظام، أو (2) إمداد النظام بالطاقة التي يحتاجها لكي يبذل كمية من الشغل w على الوسط المحيط به. فإذا أخذنا النظام الموضح بالشكل (1) والذي يمثل غازاً في أسطوانة فإننا سنجد أن الطاقة المضافة يمكنها أن تسبب تغيرين في النظام: (1) رفع درجة حرارة الغاز ومن ثم زيادة طاقته الداخلية، (2) تمدد الغاز مما يؤدي إلى رفع الكباس إلى أعلى مما يسمح للغاز بأن يبذل شغلاً على الكباس.

وإذا فحصنا أي نظام فإننا سنجد أن الطاقة المضافة إليه تستهلك دائماً بنفس هاتين الطرقتين، وهكذا يمكننا أن نستنتج أن:

الشكل (1)

وهذه الصيغة تسمى القانون الأول للديناميكا الحرارية، والذي يمكن كتابته في صورة المعادلة:

Q = ΔU + W

لاحظ أن القانون الأول هو صيغة خاصة لقانون بقاء الطاقة تتضمن الطاقة الداخلية.  عند تطبيق الأول يجب مراعاة الحرص الشديد في اختيار الإشارات الصحيحة للكميات الداخلة فيه. فالكمية Q هي دائماً كمية الحرارة المنسابة إلى النظام ، أما إذا كانت الحرارة تنساب من النظام فإن Q تكون سالبة. كذلك فإن ΔU هي الزيادة في الطاقة الداخلية للنظام، بينما W يمثل الشغل المبذول بواسطة النظام. فإذا كان الغاز في الشكل 2)) يسبب ارتفاع الكباس إلى أعلى، فإن الغاز يبذل شغلاً خارجياً ويكون W موجباً. أما إذا دفع الكباس إلى أسفل بواسطة قوة خارجية فإن W سيكون سالباً لأن الغاز يبذل شغلاً سالباً. ولفهم هذه العبارة الأخيرة، تذكر أن:                 

cos θ × الازاحة × القوة = الشغل

 الشكل 2)) 

حيث θ هي الزاوية بين متجه القوة ومتجه الإزاحة. ويلاحظ في الشكل ((1 أن القوة التي يؤثر بها الغاز على الكباس إلى أعلى تساوي F (بفرض أن الكباس يتحرك بسرعة ثابتة). وعندما يتحرك الكباس إلى أسفل مسافة قدرها sΔ فإن الشغل المبذول بواسطة الغاز سيكون:

W= F Δs cos 180^o = -F Δs

إذن: عندما ينضغط الغاز يكون الشغل المبذول بواسطته سالباً.