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Prima legge della termodinamica

1850
  • Julius Robert von Mayer
  • James Prescott Joule
  • Hermann von Helmholtz
  • Rudolf Clausius
Laboratory experiment demonstrating the First Law of Thermodynamics with a heat engine setup.

The First Law is a statement of the conservation of energy. It posits that the change in a closed system’s internal energy ([latex]\Delta U[/latex]) is equal to the heat supplied to the system ([latex]Q[/latex]) minus the work done by the system on its surroundings ([latex]W[/latex]). The governing equation is [latex]\Delta U = Q – W[/latex]. This law links heat, work, and internal energy, establishing heat as a form of energy transfer.

Il Primo Principio della Termodinamica generalizzò il principio di conservazione dell'energia, precedentemente noto in meccanica, includendo il calore. La sua formulazione rappresentò un passo fondamentale per la fisica, poiché confutò definitivamente la teoria del calorico prevalente, che considerava il calore un fluido privo di peso. Gli esperimenti di James Joule negli anni '40 dell'Ottocento, che dimostrarono l'equivalente meccanico del calore, furono cruciali per stabilire che calore e lavoro sono reciprocamente convertibili.

The law introduces internal energy ([latex]U[/latex]) as a state function, meaning its value depends only on the current state of the system, not on how it got there. In contrast, heat ([latex]Q[/latex]) and work ([latex]W[/latex]) are path-dependent process quantities. The law’s differential form is [latex]dU = \delta Q – \delta W[/latex]. For a cyclic process, where the system returns to its initial state, the change in internal energy is zero ([latex]\Delta U = 0[/latex]), so the net heat supplied equals the net work done. This principle is the basis for all heat engines. The law also implies the impossibility of a perpetual motion machine of the first kind—a machine that produces work without any energy input.

UNESCO Nomenclature: 2212
– Thermodynamics, statistical physics, and condensed matter

Tipo

Sistema astratto

Interruzione

Rivoluzionario

Utilizzo

Uso diffuso

Precursori

  • Sadi Carnot’s analysis of heat engines and termodinamico cycles
  • James Joule’s experiments on the mechanical equivalent of heat
  • rifiuto della teoria calorica del calore
  • principio di conservazione dell'energia in meccanica formulato da Leibniz e altri

Applicazioni

  • motori termici (a combustione interna, turbine a vapore)
  • frigoriferi, condizionatori e pompe di calore
  • analisi delle reazioni chimiche (calcoli dell'entalpia)
  • progettazione di centrali elettriche e analisi dell'efficienza
  • calorimetria nutrizionale per il calcolo dell'energia alimentare (calorie)

Brevetti:

NA

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