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Prima legge della termodinamica

1850
  • Julius Robert von Mayer
  • James Prescott Joule
  • Hermann von Helmholtz
  • Rudolf Clausius
Esperimento di laboratorio che dimostra la Prima Legge della Termodinamica con un motore termico.

(Immagine generata a solo scopo illustrativo)

La Prima Legge è una dichiarazione della conservazione dell'energia. Essa stabilisce che la variazione dell'energia interna di un sistema chiuso ([latex]\Delta U[/latex]) è uguale al calore fornito al sistema ([latex]Q[/latex]) meno il lavoro compiuto dal sistema sull'ambiente circostante ([latex]W[/latex]). L'equazione di governo è [latex]\Delta U = Q - W[/latex]. Questa legge collega calore, lavoro ed energia interna, stabilendo che il calore è una forma di trasferimento di energia.

The First Law of Thermodynamics generalized the principle of conservazione dell'energia, which was previously known in mechanics, to include heat. Its formulation was a major step in physics, as it definitively refuted the prevailing caloric theory, which considered heat a weightless fluid. Experiments by James Joule in the 1840s, which demonstrated the mechanical equivalent of heat, were crucial in establishing that heat and work are mutually convertible.

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
- Termodinamica, fisica statistica e materia condensata

Tipo

Sistema astratto

Interruzione

Rivoluzionario

Utilizzo

Uso diffuso

Precursori

  • L'analisi di Sadi Carnot sui motori a calore e termodinamico cicli
  • Gli esperimenti di James Joule sull'equivalente meccanico del calore
  • 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

Idee e potenziali innovazioni

  • generatori termoelettrici che recuperano il calore di scarto dai gas di scarico dei veicoli
  • motori termici su microscala alimentati da processi metabolici cellulari per nanobot
  • sistemi avanzati di energia geotermica con cicli energetici a circuito chiuso per alimentare le città
  • raccoglitori di acqua atmosferica alimentati ad energia solare mediante cicli termodinamici
  • indumenti personali di raffreddamento e riscaldamento basati su efficienti micropompe di calore
  • sistemi di recupero dell'energia cinetica nei veicoli elettrici con accumulo termico integrato
  • criogenico energy storage systems using liquid air as an energy vector
  • osmotic power generation plants at river estuaries, optimized by first-law principles
  • convertitori termici-elettrici diretti per sonde nello spazio profondo che utilizzano il calore di decadimento radioattivo
  • bioreattori che ottimizzano la crescita microbica gestendo con precisione il calore e il lavoro prodotti
Correlato a: prima legge, conservazione dell'energia, energia interna, calore, lavoro, termodinamica, entalpia, sistema chiuso, funzione di stato, moto perpetuo.

Contesto storico

Prima legge della termodinamica

1842
1847
1850
1850
1850
1850
1850
1841
1845
1850
1850
1850
1850
1850
1851

(se la data è sconosciuta o non rilevante, ad esempio "meccanica dei fluidi", viene fornita una stima approssimativa della sua notevole comparsa)

decimo anno anniversario

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