První termodynamický zákon říká, že energii nelze vytvořit ani zničit, pouze přeměnit z jedné formy na jinou. Tento princip tvoří základ zákona zachování energie. To znamená, že v uzavřeném systému se součet všech forem energie (např. kinetická, potenciální, teplo, světlo atd.) nemění — energie jen přechází mezi těmito formami. Například při cvičení se chemická energie z potravy mění na kinetickou energii svalů a na teplo. Perpetuum mobile 1. druhu (stroj vytvářející energii z ničeho) je v rozporu s tímto zákonem a není možné jej zkonstruovat.

Zákon tedy říká, že celková energie izolovaného systému (a tím i celého vesmíru) je konstantní. Energie se ovšem může přenášet nebo přeměňovat mezi částmi systému i mezi systémy — například přenosem tepla nebo vykonáním práce.

Matematické vyjádření

Vědci a inženýři nejčastěji používají následující stacionární vyjádření prvního termodynamického zákona pro uzavřený systém:

ΔU = Q − W

  • ΔU — změna vnitřní energie systému (celková energie uložená v systému).
  • Q — tepelný přírůstek do systému (kladné, pokud systém přijímá teplo).
  • W — práce vykonaná systémem navenek (kladné, pokud systém vykonává práci).

Toto je běžná konvence v termodynamice. Existuje i alternativní značení, kdy se bere W jako práce vykonaná na systém, a pak platí ΔU = Q + W — důležité je tedy vždy vědět, jaká je zvolená konvence.

Typy přenosu energie

  • Teplo (Q) — energie přenášená kvůli teplotnímu rozdílu.
  • Práce (W) — energie přenesená působením síly přes dráhu (např. píst v motoru, elektrický proud působící v obvodu, mechanická síla).
  • Tok hmoty — v otevřených systémech může energie proudit i spolu s hmotou; v takových případech se často používají veličiny jako entalpie.

Praktické příklady

  • Pohyb kyvadla: kinetická a potenciální energie se neustále přeměňují; bez odporu prostředí by celková energie kyvadla zůstala konstantní.
  • Padání tělesa: potenciální energie se mění na kinetickou energii; celková mechanická energie je zachována, pokud zanedbáme odpor vzduchu.
  • Ohřívání plynu v pístu: pokud do pístu přivedeme 100 J tepla a píst vykoná 30 J práce na okolí, vnitřní energie plynu vzroste o ΔU = 100 − 30 = 70 J.
  • Spalovací motor: chemická energie paliva se přeměňuje na vnitřní a mechanickou energii a nakonec na teplo odváděné chlazením; souhrn energie je ale zachován.
  • Lidské tělo: chemická energie potravy se používá k pohybu (kinetická energie), udržení tělesné teploty (teplo) a k růstu (změna vnitřní energie).

Uzavřené, otevřené a izolované systémy

  • Izolovaný systém — neprobíhá výměna energie ani hmoty s okolím; celková energie je konstantní (ΔU = 0).
  • Uzavřený systém — vyměňuje energii (teplo a práci), ale nehmotí; platí ΔU = Q − W.
  • Otevřený systém — vyměňuje energii i hmotu; je nutné sledovat i energetické toky spojené s přenosem hmoty (např. entalpické toky).

Co zákon neříká

První zákon neurčuje, zda proces nastane spontánně — pouze říká, jak se energie během procesu zachovává. Směr a proveditelnost procesu určuje druhý termodynamický zákon, který zavádí pojem entropie a omezuje možný tok energie.

Souvislost s moderní fyzikou

Ve speciální a obecné teorii relativity se ukázalo, že hmota a energie jsou ekvivalentní (E = mc²). To znamená, že „hmotnost“ je jednou z forem energie (tzv. klidová energie). Pro běžné inženýrské a každodenní úlohy se nadále pracuje s různými formami energie (mechanická, tepelná, chemická, elektrická, jaderná atd.), ale v konečném součtu platí, že celková energie (včetně energie spojené s hmotností) je zachována.

Shrnutí

  • První termodynamický zákon: energie se nedá vytvořit ani zničit, pouze přeměňovat.
  • Pro uzavřený systém: ΔU = Q − W (pozor na zvolenou konvenci práce).
  • Platí ve všech oborech fyziky a je základem pro návrh motorů, chladicích zařízení, elektráren i pro pochopení biologických procesů.