Energiansäilymislaki – Termodynamiikan ensimmäinen laki: määritelmä
Energiansäilymislaki – termodynamiikan ensimmäisen lain selkeä määritelmä: mitä energia on, miten se muuttuu, käytännön esimerkit ja universumin energian pysyvyys.
Termodynamiikan ensimmäisen lain mukaan energiaa ei voi luoda eikä tuhota, mutta sitä voi muuttaa. Tämä periaate muodostaa perustan energian säilymisperiaatteelle: kaikki ilmiöt, joissa energia näyttäytyy eri muodoissa, ovat vain energian muuntumista muodosta toiseen. Esimerkiksi kuntoilu muuntaa ravinnosta saatua kemiallista energiaa liike-energiaksi. Energiaa ei katoamattomasti synny eikä katoa — poissuljettuna olisi niin kutsuttu ensimmäisen lajin ikuinen liike, joka rikkoisi tämän lain ja on käytännössä mahdoton.
Laki tarkoittaa käytännössä sitä, että suljetun järjestelmän kokonaisenergia on vakio. Energiaa voidaan kuitenkin siirtää järjestelmän ja ympäristön välillä tai muuttaa järjestelmän sisällä eri muodoiksi. Tavallisesti energiansiirtoa ja -muutosta kuvataan kahdella suureella: lämpö ja työ.
Muotoilu ja kaavat
Yleisin tutkijoiden käyttämä sanamuoto termodynamiikan ensimmäiselle laille on matemaattisesti
ΔU = Q − W
missä
- ΔU on järjestelmän sisäenergian muutos,
- Q on järjestelmään siirtynyt lämpöenergia (positiivinen, jos lämpöä tulee järjestelmään),
- W on järjestelmän tekemä työ ulkomaailmaa vastaan (positiivinen, kun järjestelmä tekee työtä).
Differentiiaalisessa muodossa käytetään usein merkintöjä dU = δQ − δW, joissa korostetaan että δQ ja δW eivät ole täydellisiä differenitaaleja samalla tavalla kuin sisäenergia U.
On syytä huomata, että eri lähteissä voi olla erilainen etumerkkikonventio (esimerkiksi joissain kemian kirjoissa W merkitään työnä tehtyä energiaa toiseen suuntaan), joten kaavan merkitys kannattaa aina varmistaa kontekstista.
Sisäenergia ja energiamuodot
Sisäenergia U sisältää kaikki systeemin mikroskooppiset energiat: hiukkasten liike- ja potentiaalienergiat, kemiallisen energian, sidokset yms. Klassisen tason esimerkkejä energian muodoista ovat lämpö, valo, liike-energia ja potentiaalienergia. Modernissa fysiikassa energiaan liittyy myös massa energian muotona, minkä ilmentymä on tunnettu yhtälöstä E = mc² (massan ja energian ekvivalenssi).
Sovelluksia ja rajoituksia
Termodynamiikan ensimmäinen laki asettaa tiukat rajat: se kieltää niin sanotut ensimmäisen lajin ikuisten liikkeiden rakentamisen, eli laitteet, jotka antaisivat jatkuvasti energiaa ilman syötettä. Laki ei kuitenkaan kerro, mihin suuntaan prosessit tapahtuvat tai ovatko ne mahdollisia ilman lisärajoituksia — tätä käsittelee termodynamiikan toinen laki, joka liittyy entropiaan ja prosessien suuntaan.
Fysiikan näkökulma
Energian säilyminen on syvällinen periaate: modernissa teoreettisessa fysiikassa se voidaan johtaa symmetriasta, nimittäin ajan siirto-muodon symmetriasta (Noetherin teoreema). Tämä antaa lain yleisen ja muodollisen perustan: ajan käännösinvarianssi johtaa energian säilymiseen.
Esimerkkejä arjesta
- Auto polttomoottorissa polttoaineen kemiallinen energia muuttuu lämmöksi ja liike-energiaksi — kokonaisenergia säilyy.
- Jääkaappi siirtää lämpöenergiaa sisätilasta ulos tekemällä työtä kompressorin avulla; sähkönä syötetty energia muuttuu lämmöksi ja työksi.
- Ihminen muuntaa ravinnosta saatua kemiallista energiaa lämmöksi, liikkeeksi ja kemialliseksi työksi (esim. kudosten rakentaminen).
Yhteenvetona: ensimmäinen termodynamiikan laki sanoo, että kokonaisenergia on säilynyt, mutta kertoo vain paljonko energia muuttuu muodosta toiseen tai siirtyy — ei sitä, tapahtuuko muutos spontaanisti. Lain käytännön sovellukset ulottuvat insinööritieteistä fysiikkaan ja biologiaan, ja se on yksi luonnontieteiden perusperiaatteista.
Historia
James Prescott Joule oli ensimmäinen henkilö, joka havaitsi kokeellisesti, että lämpö ja työ ovat muunnettavissa.
Ensimmäisen selkeän lausuman termodynamiikan ensimmäisestä laista antoi Rudolf Clausius vuonna 1850: "On olemassa tilafunktio E, jota kutsutaan 'energiaksi' ja jonka differentiaali on yhtä suuri kuin adiabaattisen prosessin aikana ympäristön kanssa vaihdettu työ."
Termodynamiikka ja tekniikka
Termodynamiikassa ja insinööritieteissä on luonnollista ajatella järjestelmää lämpövoimakoneena, joka tekee työtä ympäristöönsä, ja todeta, että lämmittämällä lisätty kokonaisenergia on yhtä suuri kuin sisäisen energian lisäyksen ja järjestelmän tekemän työn summa. Näin ollen δ W {\displaystyle \delta W} 
on se energiamäärä, jonka systeemi menettää järjestelmän ympäristöönsä tekemän työn vuoksi. Termodynaamisensyklin sen osan aikana, jolloin moottori tekee työtä, δ W {\displaystyle \delta W} on positiivinen, mutta syklin aikana on aina osa, jolloin δ W {\displaystyle \delta W} on negatiivinen, esim. kun työkaasua puristetaan. Kun δ W {\displaystyle \delta W} edustaa järjestelmän tekemää työtä, ensimmäinen laki kirjoitetaan:
d U = δ Q - δ W {\displaystyle \mathrm {d} U=\delta Q-\delta W\,} 
Ihmiset ovat eri mieltä siitä, onko energia positiivinen vai negatiivinen luku. Eli δ Q {\displaystyle \delta Q} 
on lämpövirta ulos järjestelmästä ja δ W {\displaystyle \delta W} on työ järjestelmään:
d U = - δ Q + δ W {\displaystyle \mathrm {d} U=-\delta Q+\delta W\,} 
Tämän epäselvyyden vuoksi on erittäin tärkeää, että kaikissa ensimmäisen lain käsittelyssä vahvistetaan nimenomaisesti käytetty merkkikäytäntö.
dU = sisäisen energian muutos
Q = lämpö
W = työ
Aiheeseen liittyvät sivut
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mikä on termodynamiikan ensimmäinen laki?
A: Termodynamiikan ensimmäinen laki on, että energiaa ei voi luoda eikä tuhota; se voi vain muuttua muodosta toiseen.
K: Mikä on energian säilymisperiaate?
V: Energian säilymisperiaate tarkoittaa, että kaikki, mikä käyttää energiaa, muuttaa energiaa yhdestä energiamuodosta toiseen.
K: Voiko ikiliikkujaa koskaan olla olemassa?
V: Ei, ikiliikkujia ei voisi koskaan olla olemassa, koska se rikkoisi fysiikan peruslakia, jonka mukaan energiaa ei voi luoda eikä tuhota.
K: Mitkä ovat esimerkkejä klassisen mekaniikan energiamuodoista?
V: Esimerkkejä klassisen mekaniikan energiamuodoista ovat lämpö, valo, kineettinen (liike-) tai potentiaalienergia.
K: Kuinka monta energiamuotoa on olemassa modernissa fysiikassa?
V: Nykyaikaisessa fysiikassa katsotaan, että on vain kaksi energiamuotoa - massa ja liike-energia, vaikka tämä ei ehkä auta niitä, jotka eivät tunne monimutkaisempaa fysiikkaa.
K: Onko maailmankaikkeuden kokonaisenergia vakio?
V: Kyllä, maailmankaikkeuden (tai minkä tahansa suljetun järjestelmän) kokonaisenergia on vakio. Energiaa voidaan kuitenkin siirtää maailmankaikkeuden yhdestä osasta toiseen.
K: Mikä on tutkijoiden käyttämä termodynamiikan ensimmäisen lain yleisin sanamuoto?
V: Tutkijoiden käyttämä termodynamiikan ensimmäisen lain yleisin sanamuoto on, että energiaa ei voi luoda eikä tuhota; sitä voidaan vain siirtää tai muuntaa muodosta toiseen.
Etsiä