החוק הראשון של התרמודינמיקה, הסבר מלא

מערכת סגורה

למסה קבועה, ΔU שווה Q פחות W, כאשר Q הוא החום שנכנס ו־W העבודה שהמערכת מבצעת. U היא האנרגיה הפנימית: האנרגיה האגורה בתנועת המולקולות ובקשרים ביניהן. מוסכמות הסימן משתנות בין ספרי לימוד, אז כותבים את שלכם פעם אחת ונצמדים אליה.

חום ועבודה הם אנרגיה במעבר, לא תכונות. במערכת אין חום; יש בה אנרגיה. ההבחנה הזו היא הסיבה ש־Q ו־W תלויים במסלול ו־ΔU לא.

מערכת פתוחה ואנתלפיה

בטורבינות, משאבות, מדחסים, נחירים ומחליפי חום זורמת מסה. כדי לדחוף זורם פנימה והחוצה צריך עבודה, pv ליחידת מסה, ונוח לאחד אותה עם האנרגיה הפנימית לאנתלפיה, h שווה u ועוד pv.

משוואת האנרגיה לזרימה יציבה מאזנת אז את החום ועבודת הציר מול השינוי באנתלפיה, באנרגיה הקינטית ובאנרגיה הפוטנציאלית של הזרם. ברוב המכונות האיברים הקינטי והפוטנציאלי קטנים, והמשוואה מצטמצמת ל־Q̇ פחות Ẇ שווה ṁ כפול (h₂ פחות h₁).

מה הוא לא אומר

החוק הראשון סופר אנרגיה, אבל לא אומר כלום על כיוון. הוא מתיר לחום לזרום מקר לחם, כל עוד החשבון מתאזן. לשלול את זה זה התפקיד של החוק השני ושל האנטרופיה.

דוגמה עם מספרים

מדחס אדיאבטי מעלה 0.5 ק״ג לשנייה של אוויר מ־300 K ל־450 K. עם c_p של כ־1.005 kJ/kg·K, עליית האנתלפיה היא 1.005 כפול 150, בערך 151 kJ/kg, ולכן הספק הציר הוא 0.5 כפול 151, בערך 75 kW.

טעויות נפוצות

• לערבב מוסכמות סימן לעבודה בין שתי משוואות באותו פתרון.
• להשתמש ב־c_v במקום ב־c_p לזרם זורם.
• להשמיט את האנרגיה הקינטית בנחיר, שם היא כל העניין.