La prima legge della termodinamica è anche nota come legge di conservazione dell’energia. Afferma che l’energia non può essere distrutta o creata; è conservata nell’universo e deve finire da qualche parte, anche se cambia forma. Implica lo studio del lavoro del sistema, del calore e dell’energia. I motori termici spesso suggeriscono una discussione sulla prima legge della termodinamica; tuttavia, è considerata una delle leggi più fondamentali della natura.
Una volta che le persone approfondiscono lo studio della prima legge della termodinamica, iniziano immediatamente ad analizzare e calcolare l’equazione associata alla legge: ΔU = Q – W. Questa equazione significa che la variazione di energia interna del sistema è uguale al calore aggiunto al sistema meno il lavoro svolto dal sistema. In alternativa, a volte viene utilizzata l’equazione ΔU = Q + W. L’unica differenza è che calcola il lavoro svolto sul sistema, invece del lavoro svolto dal sistema. In altre parole, il lavoro è positivo quando il sistema funziona sul sistema circostante e negativo quando l’ambiente circostante funziona sul sistema.
Quando si studia la fisica, c’è un esempio comune che implica l’aggiunta di calore a un gas in un sistema chiuso. L’esempio continua espandendo quel gas in modo che funzioni. Può essere visualizzato come un pistone che spinge verso il basso o applica pressione sui gas in un motore a combustione interna. Quindi, il lavoro è svolto dal sistema. In alternativa, quando si studiano processi e reazioni chimiche, è tipico studiare le condizioni in cui si lavora sul sistema.
L’unità standard per calcolare la prima legge della termodinamica è Joules (J); tuttavia, molte persone che studiano la legge fanno anche i loro calcoli in termini di calorie o British Thermal Unit (BTU). A volte è utile calcolare la conservazione con numeri reali, in questo modo le persone possono vedere come funziona la legge. Se un motore fa 4,000 J di lavoro sull’ambiente circostante, l’energia interna diminuisce di 4,000 J. Se rilascia anche 5,000 J di calore mentre è in funzione, l’energia interna diminuisce di altri 5,000 J. Di conseguenza, l’energia interna l’energia del sistema diminuisce di un totale di -9,000 J.
In un calcolo alternativo, se un sistema fa 4,000 J di lavoro sull’ambiente circostante e poi assorbe 5,000 J di calore dall’ambiente circostante, il risultato è diverso. In tal caso, ci sono 5,000 J di energia in entrata e 4,000 J di energia in uscita. Pertanto, l’energia interna totale del sistema è di 1,000 J.
Infine, il lavoro negativo o il lavoro svolto sul sistema dall’ambiente circostante può essere esemplificato anche attraverso calcoli riguardanti il primo principio della termodinamica. Ad esempio, se il sistema assorbe 4,000 J mentre l’ambiente circostante esegue contemporaneamente 5,000 J o lavora sul sistema, si vedrà un altro risultato. Poiché tutte le energie fluiscono nel sistema, l’energia interna totale sale fino a 9,000 J.