قانون اول ترمودینامیک (1)

مطالعه ی ترمودینامیک توسط مهندسین قرن نوزدهم آغاز شد؛ آنها می خواستند بدانند قوانین فیزیک چه محدودیتهایی بر عملکرد ماشین های بخار و سایر ماشین های تولید کننده ی انرژی مکانیکی تحمیل می کنند. ترمودینامیک درباره ی تبدیل یک شکل انرژی به شکلی دیگر، به ویژه تبدیل گرما به سایر شکل های انرژی بحث می کند. این کار با مطالعه ی روابط بین پارامترهای صرفاً ماکروسکوپی صورت می گیرد که رفتار سیستمهای فیزیکی را توصیف می کنند. این گونه توصیف ماکروسکوپی (و در مقیاس بزرگ)، لزوما تا حدودی خام است، چرا که همه ی جزئیات با مقیاس کوچک و میکروسکوپی را نادیده می گیرد. اما در کاربردهای عملی، این جزئیات اغلب مهم نیستند. برای مثال، مهندسی که رفتارهای گازهای حاصل از احتراق را در سیلندر یک موتور اتومبیل بررسی می کند، می تواند با کمیت های ماکروسکوپی مانند دما، فشار، چگالی و ظرفیت حرارتی کار خود را پیش ببرد.

در واقع دانشمندان به دنبال یافتن پاسخ این پرسش بودند که آیا می توان ماشینی ساخت که به طور دائمی کار مکانیکی انجام دهد؟ آن ها مدت ها بر روی این موضوع تحقیق کردند و تعدادی از محققین نیز طرح هایی برای این کار پیشنهاد نمودند. شکل زیر یکی از این طرح ها را نشان می دهد. هدف این بود که ابزار ساخته شده، بدون مصرف هیچ گونه سوخت یا هر گونه انرژی ورودی دیگر، کار خروجی بی پایانی را تامین کند. در شکل، میله های کوتاه لولا شده، که به میخ ها تکیه دارند، وزنه ها را به چرخ متصل می کنند. وقتی میله ها در وضعیت نشان داده شده هستند، عدم توازنی در توزیع وزن وجود دارد که موجب ایجاد یک گشتاور ساعتگرد خواهد شد که چرخ را در جهت نشان داده شده می چرخاند. طراح می پنداشت این گشتاور همیشگی است و نه تنها چرخش چرخ را حفظ می کند، بلکه به طور دائمی به محور آن انرژی می دهد. اما آن چه در عمل اتفاق می افتد، اینست که پس از یک دور چرخیدن، جرم ها در یک وضعیت متعادل باقی می مانند و حرکت متوقف می شود.

در این راه کوشش های فراوانی صورت گرفت؛ در شکل های زیر می توانید نمونه هایی از طرحهای پیشنهادی را ببینید.

 آیا می توانید بگویید چرا این ماشین ها کارایی عملی ندارند؟

‌ یافته های حاصل از آزمایشان نشان داد که ساختن چنین ماشینی غیر ممکن است. قانون اول ترمودینامیک نیز چیزی نیست، مگر بیان همین بقای انرژی.

اگر تنها راه تغییر دادن انرژی یک دستگاه، انجام دادن کار روی دستگاه و یا واداشتن دستگاه به انجام کار بود، مسئله ساده بود. هر کاری که روی دستگاه انجام می دادیم، در نهایت به صورت انرژی مکانیکی پس گرفته می شد. دادن گرما به دستگاه،سبب بالا رفتن دمای آن می شود و وقتی جسم به دمای اولیه اش بازمی گردد، گرمایی را که قبلا گرفته بود عینا پس می دهد. به این ترتیب می توان از نوعی انرژی مکانیکی داخلی دستگاه سخن گفت که عبارت است از جمع جبری کار انجام یافته به وسیله ی دستگاه و کار انجام شده روی آن؛ در کنار آن، دستگاه دارای یک محتوای گرمایی است، که از جمع جبری گرمای داده شده به دستگاه و گرمای گرفته شده از آن محاسبه می شود.

آزمایش ژول نشان داد که این تئوری نادرست است. دمای یک جسم را می شد با انجام دادن کار روی آن تغییر داد؛ یک جسم می توانست گرما بگیرد (مثلا ماشین بخار) و کار مکانیکی انجام دهد. به این ترتیب معلوم شد که نمی توان از گرمایی که در مقدار معینی ماده وجود دارد و یا از انرژی مکانیکی آن به صورت جدا از هم سخن گفت. جسم فقط دارای یک مخزن انرژی است، که آن را "انرژی داخلی" می نامیم.

هم کار مکانیکی و هم گرما در این مخزن سهیم اند؛ برداشت انرژی از این مخزن، می تواند به صورت کار مکانیکی و یا گرما باشد. این، قانون اول ترمودینامیک است:

هر گاه فرآیندی را که با گرما و کار سر و کار دارد به کار گیریم تا دستگاهی را از یک حالت آغازین به یک حالت جدید برسانیم، تغییر انرژی درونی سیستم مقدار ثابتی دارد که مستقل از جزئیات فرآیند است.