La primera llei de la termodinàmica, també anomenada per extensió, la llei de la conservació de l'energia, és una suposició fonamental de la teoria de la termodinàmica.
La primera llei de la termodinàmica és una formulació del principi de conservació de l'energia i estableix que:
«L'energia interna d'un sistema termodinàmic aïllat és constant.»
Un univers termodinàmic, que consisteix en el sistema i el seu entorn, és un sistema aïllat. L'energia no es crea ni es destrueix, sinó que es transforma d'una forma a una altra: l'energia es pot transferir a través de l'intercanvi de calor (energia calorífica) i treball.
En la forma més general i simple, la primera llei de la termodinàmica es pot descriure dient que hi ha una funció de les coordenades termodinàmiques d'un sistema, anomenada energia interna U. Les variacions d'aquesta energia interna generen els intercanvis d'energia del sistema amb el entorn que l'envolta. Aquest procés caracteritza les transformacions termodinàmiques entre dos estats d'equilibri del sistema, segons els quals l'energia interna és una funció de l'estat. Durant una transformació, l'energia es subministra al sistema a través del treball mecànic i l'intercanvi de calor. Aquesta energia roman emmagatzemada en forma d'energia interna i després pot reutilitzar-se.
La primera llei de la termodinàmica i els motors tèrmics
La primera llei de la termodinàmica és important a l'hora de calcular el cicle teòric d'un motor tèrmic, ja sigui el cicle Otto o el cicle dièsel. Atès que aquesta primera llei estableix una relació entre la calor i el treball generat durant la combustió del combustible.
Per millorar el rendiment d'un motor endotèrmic ens interessa l'energia interna es converteixi en treball. Aquest treball significa obtenir energia mecànica que és la que aprofitarem al motor. D'altra banda, l'energia interna que es converteixi en energia calorífica es dissiparà i per tant serà energia perduda.
Descripció de la primera llei de la termodinàmica
Donats dos estats A i B, la variació de l'energia interna & Delta; U = U (B) - U (A) és igual a la diferència de la calor absorbida Q = Q (A & rarr; B) i del treball completat W = W (A & rarr; B) del sistema durant la transformació:
& Delta; U = Q - W
La calor i el treball són propietat de transformacions i no d'estats. En transformacions particulars, l'intercanvi de calor pot ser predominant, mentre que en altres transformacions el treball és predominant. Si els estats de sortida i arribada són els mateixos, en les diferents transformacions, l'intercanvi total Q - W és el mateix.
La primera llei de la termodinàmica destaca l'existència d'un mecanisme d'intercanvi d'energia, que no pot expressar-se com a treball mecànic macroscòpic: aquest és el nom de la calor.
L'equivalència entre treball i calor va ser demostrada per Joule a través d'una sèrie d'experiments a mitjan segle XIX. Esquemàticament, els diversos experiments tenien com a objectiu aconseguir un augment en la temperatura d'una certa quantitat d'aigua amb diferents processos. En un d'aquests, l'energia mecànica es transfereix al sistema mitjançant una caiguda de pes. El pes s'acobla mecànicament a un eix vertical alt per mitjà d'una corda que l'envolta en la seva part superior, mentre que a la part inferior hi ha algunes fulles, disposades en un patró radial, amb els seus plans paral·lels a l'eix de rotació de l'eix. Les fulles estan submergides en un líquid contingut en un contenidor adiabàtic. Resultat de l'experiència és l'augment de la temperatura del líquid, o de la seva energia interna U. Això demostra que l'energia potencial del pes, la caiguda en la frenada pel líquid que s'oposa al seu variació de quietud, a través de la rotació de les fulles, es va traslladar en gran mesura a la del líquid de frens mitjançant l'augment de la temperatura, i el desenvolupament d'un treball tèrmic.
La primera llei de la termodinàmica és equivalent a la impossibilitat del moviment perpetu de la primera espècie.
En una transformació gairebé estàtica i reversible, és útil considerar les transformacions termodinàmiques en què les variables d'estat canvien en quantitats infinitesimals.