Eerste wet van de thermodynamica: behoud van energie eenvoudig uitgelegd
Leer de eerste wet van de thermodynamica: behoud van energie helder en eenvoudig uitgelegd met dagelijkse voorbeelden en duidelijke, begrijpelijke uitleg.
De allereerste wet van de thermodynamica stelt kortweg: energie kan niet worden gecreëerd of vernietigd, maar alleen omgezet. Dit is hetzelfde principe als het behoud van energie. In praktische termen betekent het dat de totale hoeveelheid energie in een afgesloten stelsel constant blijft: energie kan van de ene vorm in de andere worden omgezet en van het ene deel van een systeem naar het andere worden overgedragen, maar er komt geen nieuwe energie bij en er gaat niets verloren.
Een paar eenvoudige voorbeelden: bij lichaamsbeweging zetten verteringsprocessen chemische energie uit voedsel om in kinetische energie en warmte; een elektrische verwarming zet elektrische energie vrijwel geheel om in warmte; een stuiterende bal wisselt tussen kinetische en potentiële energie terwijl licht of warmte bij veel processen vrijkomt. Mensen en machines gebruiken zulke omzettingen om nuttig werk te verrichten.
Wat bedoelen wetenschappers precies?
In de thermodynamica werkt men vaak met de begrippen inwendige energie (U), warmte (Q) en arbeid (W). De gebruikelijke wiskundige formulering van de eerste wet is:
ΔU = Q − W
Hier is ΔU de verandering van de inwendige energie van het systeem, Q de aan het systeem toegevoerde warmte en W de arbeid die het systeem aan de omgeving verricht. Met een andere tekenconventie (waarbij W de arbeid op het systeem is) wordt ook wel geschreven: ΔU = Q + W. Beide vormen beschrijven hetzelfde principe; het verschil is alleen hoe men "W" definieert.
Afgebakende systemen en het heelal
Als het systeem geïsoleerd is (geen warmte- of arbeidsoverdracht mogelijk) dan is ΔU = 0 en blijft de totale energie van dat systeem constant. Algemeen gezegd betekent de wet dat de totale energie van het heelal constant is (binnen de aannames van klassieke thermodynamica). Energie kan echter tussen delen van het heelal worden uitgewisseld.
Veelvoorkomende misverstanden
- “Er zijn maar twee vormen van energie” — dit is te simpel. In de moderne natuurkunde bestaat massa volgens E = mc² als een vorm van energie (rustenergie), en beweging als kinetische energie, maar er blijven vele praktisch bruikbare indelingen bestaan: thermische, chemische, elektrische, nucleaire, stralingsenergie, enzovoort.
- Perpetuum mobile — een machine die eeuwigdurend vrije energie levert bestaat niet. De eerste wet verbiedt het creëren van energie uit het niets; de tweede wet van de thermodynamica legt bovendien aanvullende beperkingen op de omzetting van warmte in nuttige arbeid.
Praktische betekenis
De eerste wet is fundamenteel voor techniek en natuurkunde: ontwerpers van motoren, ketels, warmtepompen en energieopwekkingssystemen gebruiken deze wet om energiestromen te berekenen en de efficiëntie van processen te bepalen. Ook in biologie en geneeskunde helpt het begrip energiebehoud bij het analyseren van stofwisseling en warmtehuishouding van organismen.
Kortom: energie verdwijnt niet en verschijnt niet zomaar; ze verandert van vorm en kan worden overgedragen. Dat eenvoudige principe vormt de basis voor veel verklaringen en toepassingen in wetenschap en techniek.
Geschiedenis
James Prescott Joule was de eerste die door experimenten ontdekte dat warmte en arbeid converteerbaar zijn.
De eerste expliciete verklaring van de eerste wet van de thermodynamica werd gegeven door Rudolf Clausius in 1850: "Er is een toestandsfunctie E, 'energie' genoemd, waarvan het differentieel gelijk is aan de arbeid die tijdens een adiabatisch proces met de omgeving wordt uitgewisseld."
Thermodynamica en techniek
In de thermodynamica en de ingenieurswetenschappen is het vanzelfsprekend het systeem te beschouwen als een warmtemotor die arbeid verricht op de omgeving, en te stellen dat de totale door verwarming toegevoegde energie gelijk is aan de som van de toename van de inwendige energie plus de door het systeem verrichte arbeid. Daarom 
δ W de hoeveelheid energie die door het systeem verloren gaat door de arbeid die het systeem aan de omgeving verricht. Tijdens het deel van de thermodynamischecyclus waar de motor arbeid verricht is δ W {Displaystyle \delta W} positief, maar er zal altijd een deel van de cyclus zijn waar δ W {Displaystyle \delta W} negatief is, b.v. wanneer het werkgas wordt samengeperst. Als δ W {delta W} de door het systeem verrichte arbeid voorstelt, wordt de eerste wet geschreven:
d U = δ Q - δ W {d} U= Q- W} 
Men is het er niet over eens of energie een positief of een negatief getal is. Dus δ Q 
is de warmtestroom uit het systeem, en δ W is de arbeid in het systeem:
d U = - δ Q + δ W {d} U=- δ Q+ δ W} 
Wegens deze dubbelzinnigheid is het van groot belang in elke discussie over de eerste wet uitdrukkelijk vast te stellen welke tekenconventie wordt gebruikt.
dU = de verandering in inwendige energie
Q = warmte
W = werk
Verwante pagina's
Vragen en antwoorden
V: Wat is de eerste wet van thermodynamica?
A: De eerste wet van de thermodynamica is dat energie noch gecreëerd noch vernietigd kan worden; het kan alleen van de ene vorm in de andere veranderen.
V: Wat is het principe van behoud van energie?
A: Het principe van behoud van energie betekent dat alles wat energie gebruikt, de energie van de ene soort energie in een andere verandert.
V: Kunnen perpetuum mobile machines ooit bestaan?
A: Nee, perpetuum mobile machines kunnen nooit bestaan omdat het een fundamentele natuurwet zou breken, die stelt dat energie noch gecreëerd noch vernietigd kan worden.
V: Wat zijn voorbeelden van vormen van energie in de klassieke mechanica?
A: Voorbeelden van energievormen in de klassieke mechanica zijn warmte, licht, kinetische (beweging) of potentiële energie.
V: Hoeveel soorten energie zijn er in de moderne natuurkunde?
A: In de moderne natuurkunde wordt ervan uitgegaan dat er slechts twee soorten energie zijn - massa en kinetische energie, hoewel dit misschien niet nuttig is voor degenen die niet bekend zijn met de complexere natuurkunde.
V: Is de totale energie van het universum constant?
A: Ja, de totale energie van het universum (of een willekeurig gesloten systeem) is een constante. Energie kan echter van het ene deel van het universum naar het andere overgebracht worden.
V: Wat is de meest gebruikte formulering van de eerste wet van thermodynamica door wetenschappers?
A: De meest gebruikte formulering van de eerste wet van de thermodynamica door wetenschappers is dat energie niet gecreëerd of vernietigd kan worden; het kan alleen overgedragen of omgezet worden van de ene vorm naar de andere.
Zoek in de encyclopedie