Energiprinsippet

Energiprinsippet er lova om at energi er konstant og seier at energi ikkje kan skapast eller fjernast. Det er då underforstått at det er eit lukka system, sidan det i opne system kan overførast eller hentast energi frå omgjevnadene. Eit ope system og omgjevnadene representerer derimot eit lukka system, og energiprinsippet gjeld igjen. Det medfører at ei minking av ein type energi alltid fører til ein auke av ein annan type energi. Ein (tenkt) maskin som bryt mot denne naturloven vert gjerne kalla ein perpetuum mobile av første slag.

Energiprinsippet vert vanlegvis formulert med ei likning. Termodynamikken si første lov formulerer same forhold som ein verbal påstand.

Ein formell definisjon kan vere:

Varmen som vert ført inn i eit system er lik summen av endringa i indre energi pluss arbeid som vert utretta av systemet.

Energiprinsippet er eit postulat som i følgje Noether-teoremet svarar til tidsinvariansen til naturlovene.

Den greske filosofen Thales (635 f.Kr. – 543 f.Kr.) kan kanskje reknast som ein av dei første som såg føre seg at naturen hadde noko som kunne vere konstant. Han var den første ein kjenner til som prøvde å forklare mangfaldet til naturen med noko innebygd i naturen og ikkje utanfor. Men energiprinsippet vart først formulert av den tyske legen Julius Robert von Mayer (1814-1878) i artikkelen «Bemerkungen über die Kräfte der unbelebten Natur» i tidsskriftet Annalen der Chemie und Pharmacie, 43, 233 (1842). Oppdaginga gjorde han då han var på ei sjøreise og fann ut at nokre pasientar hadde raudare blod, sidan dei konsumerte mindre syre, for å halde høgare kroppstemperatur i kaldare klima. Han innsåg at varme og arbeid begge er variantar av energi, og kunne seinare rekne ut kvantitive forhold når han hadde starta å sette seg inn i fysikken. Året etter, 1843, presenterte James Prescott Joule sine eksperiment der han hadde kome fram til same slutning.

I mekanikken til Newton er kinetisk energi E_kin = ½mv², der m er massen til lekamen og v snøggleiken. Ved ein elastisk kollisjon mellom to eller fleire lekamar er summen av alle kinetiske energiar kontant. I kraftfelt finst det òg potensiell energi. Nær jordoverflata kan denne stillingsenergien skildrast med E_pot = mgh, der g er tyngedakselerasjonen og h høgda over ei referaneslate. Ved fritt fall er summen av rørsleenergi og stillingsenergi konstant. Ein mekanisk pendel oscillerer mellom tilstand med høg potensiell energi og ein tilstand med høg rørsleenergi. Ei anna form for potensiell energi er elastisk energi, som i ei fjør. Ei kraft F utfører mekanisk arbeid på ein lekam, skildra som ein energi W = F s, der s er strekninga lekamen vert flytta. SI-eininga for energi er joule = newton·meter = kg·m²/s². Friksjon gjer at den mekaniske energien ikkje vert bevart, men går over i varmeenergi.

No seier ein at ulike former for energi er same sak. Ein har vald å definere kraft ut frå at partikler vekselverkar med kvarandre. Kraft oppstår gjennom utbytte av små energikvanta, til dømes via foton eller ein variant av foton, kalla fonon. Men tidlegare har ein, i alle fall innan termodynamikken, via eksperiment vald å dele inn overføringa av energimengder i kvantitetane varme og arbeid. Denne klassifiseringa er teknisk nyttig, sidan han fortel kva som blir varme og kva som kan utnyttast.

Varme svarar til ei uordna energimengd, representert av til dømes gassmolekyl som flyttar seg i tilfeldige retningar. Varme vert overført naturleg frå det varmare mediet til det kaldare. I dei fleste tilfelle vil ein alltid minimere overføringa av varme. Samstundes vil ein maksimere arbeidet, sidan denne energimengda vert omsett til rørsle i motorar, elektrisitet i kraftverk o.s.v. Arbeid kan seiast å vere ei «ordna energimengd». Energien til systemet er summen av begge.

${\displaystyle E=Q+W}$ (energiprinsippet)

${\displaystyle dE={\bar {d}}Q+{\bar {d}}W}$ (energiprinsippet på differensialform)

Her representerer dE ei infinitesimal endring av energien til systemet, framkalt gjennom ei infinitesimal mengd arbeid ${\displaystyle {\bar {d}}W}$ og ei infinitesimal varmeoverføring ${\displaystyle {\bar {d}}Q}$. Bruken av ${\displaystyle {\bar {d}}}$ vert forklart under.

Eit system som går over frå tilstand 1 til 2 endrar energien sin med ${\displaystyle \Delta E=\Delta (Q+W)}$. ${\displaystyle \Delta E}$ (og dermed ${\displaystyle \Delta (Q+W)}$) er heilt klart mogelege å definere – ein fjellklatrar som startar frå bakken og skal opp til toppen aukar energien sin uansett kvar han tar seg opp. Men verken ${\displaystyle Q}$ eller ${\displaystyle W}$ er mogeleg og avgjere aleine; om ein klatrar tar helikoptertransport opp til fjelltoppen, og når den «tradisjonelle» klatraren tar seg opp for hand, har begge endra energien sin med ${\displaystyle \Delta E}$, men helikopterferda har brukt større mengder. ${\displaystyle Q}$ og ${\displaystyle W}$ er avhengig av korleis tilstandendringa frå tilstand 1 til 2 skjer, og derfor vert dette indikert med ${\displaystyle {\bar {d}}}$.

Symbolkonvensjonen her er (som normalt) at ${\displaystyle Q}$ er varme som vert tilført systemet, ${\displaystyle W}$ er arbeidet som vert utretta i systemet (+ om systemet kan nyttast, - om systemet må ladast opp).

I ein omn er formålet å forvandle så mykje som mogeleg av energien i brenslet til termisk energi, som så vert overført til lufta i omgjevnaden ved konveksjon når lufta strøymer forbi den varme overflata, og/eller ved infraraud elektromagnetisk stråling (varmestråling). Så lite termisk energi som mogeleg bør difor gå opp gjennom skorsteinen, noko som medfører låg temperatur på røykassen. I ei glødelampe derimot ynskjer ein at så stor del av den tilførte energien som mogeleg skal omformast til elektromagnetisk stråling med bølgjelengd i det synlege området (synleg ljos).

• Termodynamikken si første lov