Zgodnie z pierwszą zasadą z termodynamiki , podczas każdej transformacji, jest ochrona energii .
W przypadku zamkniętych układów termodynamicznych określa się to następująco:
„Podczas każdej transformacji układu zamkniętego zmienność jego energii jest równa ilości energii wymienianej ze środowiskiem zewnętrznym, poprzez wymianę cieplną (ciepło) i mechaniczną ( praca ). "
Dla dowolnego układu termodynamicznego możemy zdefiniować, aż do stałej, funkcję U , zwaną energią wewnętrzną , o następujących właściwościach:
Zmienność U podczas nieskończenie małej transformacji układu zamkniętego (o ustalonym składzie) weryfikuje:
remivs+remip+reU=δW+δQ{\ displaystyle \ mathrm {d} E _ {\ mathrm {c}} + \ mathrm {d} E _ {\ mathrm {p}} + \ mathrm {d} U = \ delta W + \ delta Q}z:
W przeciwieństwie do energii potencjalnej i wewnętrznej, praca i ciepło nie są odmianami funkcji stanu . Ich wartości podczas transformacji zależą od sposobu, w jaki przystępuje się do przeprowadzenia transformacji, a nie tylko od stanu początkowego i końcowego.
Podstawowy postęp pierwszej zasady termodynamiki dla fizyki polega na wprowadzeniu energii wewnętrznej . Ta energia odpowiada za wewnętrzne pobudzenie systemu na poziomie atomowym. Jak każda energia, jest zdefiniowana w ramach stałej.
Trudność w wyjaśnieniu mikroskopijnego stanu materii często uniemożliwia obliczenie w praktyce; dzięki równaniu pierwszej zasady termodynamiki możliwe jest natomiast obliczenie jej zmian.
PracaPraca jest uporządkowany przekazywanie energii między systemem a środowiskiem zewnętrznym. Istnieje kilka rodzajów uporządkowanego przekazywania energii: możemy przytoczyć na przykład pracę sił nacisku, pracę pompy, pracę elektryczną wykonaną podczas reakcji elektrochemicznej w ogniwie lub przez promieniowanie... Termin ten obejmuje wszystkie zastosowane prace do systemu wynikającego z niekonserwatywnej siły. Siły zachowawcze występują w kategorii energii potencjalnej.
Praca indukowana przez siły nacisku odpowiada najczęstszej formie pracy spotykanej w klasycznej termodynamice, wyraża się ją w postaci różniczkowej
Znak minus (-) uwzględnia fakt, że podczas rozbudowy zwiększa się objętość (dV>0) i w tym przypadku system zapewnia pracę w środowisku zewnętrznym (liczonym ujemnie dla systemu zgodnie z zasadą znaków ) .
Interpretację mikroskopową pracy można wykonać:
Transfer ciepła , zwany również ciepłem , to nieuporządkowany transfer energii między systemem a środowiskiem zewnętrznym.
Ciepło to przenoszenie pobudzenia termicznego. Mieszanie cząstek rozchodzi się we wszystkich kierunkach we wszystkich kierunkach w sposób nieuporządkowany. Z tego powodu nigdy nie można całkowicie przekształcić energii cieplnej w pracę, podczas gdy jest to możliwe odwrotnie (np. praca elektryczna przekształcona w ciepło przez efekt Joule'a w grzejniku elektrycznym). Mówi się również, że wzrost temperatury powoduje degradację energii.
Ten transfer ciepła odbywa się zawsze od najgorętszego systemu do najzimniejszego. Ten, którego cząstki są statystycznie najbardziej poruszone, przekaże swoje pobudzenie cieplne zgodnie z mniej lub bardziej energetycznymi wstrząsami do środowiska zewnętrznego lub do układu statystycznie najmniej poruszonego, czyli najzimniejszego. Ta intuicyjna obserwacja jest sformalizowana przez drugą zasadę termodynamiki .
Zmienność energii układu przechodzącego transformację można wyrazić według następującej zależności:
W przypadku systemu, który wymienia materię lub ciepło z zewnętrzem, zwanego systemem otwartym , pierwszą zasadę termodynamiki można przepisać w formie uwzględniającej te wymiany. Następnie dzielimy nasz system na trzy odrębne części:
Zróbmy bilans termodynamiczny wody w wannie. Objętość kontrolną można zdefiniować jako wodę znajdującą się w wannie, objętość dopływu to woda dodana przez kran w chwili dt, a objętość odpływu to woda, która by z niego wypłynęła. wanna bez wycieku) przez odpływ w tym samym momencie dt.
Pierwsza zasada termodynamiczna w systemie otwartym jest napisana:
(mi(t+ret)+rems⋅mis(t+ret))-(mi(t)+remmi⋅mimi(t))=W+Q{\ displaystyle {\ Bigl (} E (t + \ matematyka {d} t) + \ matematyka {d} m _ {\ rm {s}} \ cdot e _ {\ rm {s}} (t + \ matematyka {d} t ) {\ Bigr)} - {\ Bigl (} E (t) + \ mathrm {d} m _ {\ rm {e}} \ cdot e _ {\ rm {e}} (t) { \ Większy)} = W + Q} lub :Znaczenie znaków jest szybko weryfikowane: jeśli system traci energię, wielkość będzie ujemna (przeniesienie energii do środowiska zewnętrznego). Oznacza to, że w przypadku, gdy energia objętości kontrolnej nie zmienia się (przypadek ), energia zawarta w objętości wejściowej w czasie t była większa niż energia zawarta w objętości wyjściowej w chwili t + dt lub .
W przypadku gazów i płynów warto rozbić :
Pierwszą zasadę termodynamiki można następnie zapisać, pokazując entalpię:
(mi(t+ret)-mi(t))+(rems(mims(t+ret)+hs(t+ret))-remmi(mimmi(t)+hmi(t)))=Wty+Q{\ displaystyle {\ biggl (} E (t + \ mathrm {d} t) -E (t) {\ biggr)} + {\ biggl (} \ mathrm {d} m _ {\ rm {s} } {\ Bigl (} e _ {\ rm {ms}} (t + \ matematyka {d} t) + h _ {\ rm {s}} (t + \ matematyka {d} t) {\ Bigl)} - \ mathrm {d} m_ { \ rm {e}} {\ Bigl (} e _ {\ rm {me}} (t) + h _ {\ rm {e}} (t) {\ Bigl)} { \ biggl)} = W _ {\ rm { u}} + Q}z:
W stanie ustalonym nie ma akumulacji materii ( ), ani akumulacji energii w rozpatrywanym układzie ( ). Pierwsza zasada ma zatem postać:
(mims(t+ret)-mimmi(t))+(hs(t+ret)-hmi(t))=q+wty{\ displaystyle {\ Bigl (} e _ {\ rm {ms}} (t + \ matematyka {d} t) -e _ {\ rm {me}} (t) {\ Bigl)} + {\ Bigl ( } h_ { \ rm {s}} (t + \ mathrm {d} t) -h _ {\ rm {e}} (t) {\ Bigl)} = q + w _ {\ rm {u}}} Jeśli płyn byłby nieściśliwy, powyższe równanie pozostaje prawdziwe dla wielkości objętościowych. Twierdzenie BernoulliegoPrawo Bernoulliego można wykazać za pomocą pierwszej zasady termodynamiki. Założenia dotyczące płynu są następujące:
Przyjmując obecną rurę wystarczająco cienką, aby ciśnienia i prędkości wlotowe i wylotowe były stałe na przekrojach rury, pierwsza zasada może rozwinąć się w formie objętościowej, przyjmując nazwę twierdzenia Bernoulliego:
12(vs2-vmi2)+Δpρ+solΔz=0{\ displaystyle {\ frac {1} {2}} (v _ {\ rm {s}} ^ {2} -v _ {\ rm {e}} ^ {2}) + {\ frac {\ Delta p } { \ rho}} + g \; \ Delta z = 0} lub :W praktyce wiele reakcji termodynamicznych jest przeprowadzanych z uwzględnieniem układu w spoczynku (brak zmian w energii kinetycznej lub energii potencjalnej). zmienia się tylko energia wewnętrzna systemu.
Możliwe jest wtedy wprowadzenie funkcji stanu entalpia : . Dla transformacji izobarycznej wyrażenie pierwszej zasady staje się:
ΔH=Q+Wwtytrmis{\ displaystyle \ Delta H = Q + W _ {\ rm {inne}}}gdzie odpowiada pracy sił innych niż ciśnienie (na przykład pracy sił elektrycznych).
W wielu reakcjach termodynamicznych zaangażowana jest tylko praca sił ciśnienia. Wyrażenie jest następnie upraszczane do:
ΔH=Q{\ styl wyświetlania \ Delta H = Q}
To proste wyrażenie pierwszej zasady jest szczególnie odpowiednie do opisu przemian termodynamicznych zachodzących przy stałym ciśnieniu, w szczególności zmian stanu materii, a także endotermicznych i egzotermicznych reakcji chemicznych .
Status tej teorii jako zasady fizycznej implikuje, że zawsze była ona weryfikowana przez praktykę, ale nigdy formalnie nie została wykazana w sposób teoretyczny. Ten punkt jest również dyskusyjny, biorąc pod uwagę późniejsze zademonstrowanie przez Emmy Noether w 1915 jego twierdzenia o tej samej nazwie , które wyraża równoważność między prawami zachowania a niezmiennością praw fizycznych. Ale ten historyczny stan budzi kontrowersje ze strony „alternatywnych badaczy”, którzy chcą udowodnić, że pierwsza zasada jest fałszywa, próbując wykazać istnienie w praktyce z pierwszego rzędu perpetum mobile i „wolnego” energię. , Czasami określane jako „nadliczbowy” lub nawet „nadjednostkowy”. Wśród tych badaczy możemy zacytować Léona-Raoula Hatema, Fabrice'a André czy Michela J. Brady'ego.
Ich osiągnięcia techniczne generalnie dotyczą silników, które przenoszą swój ruch, dzięki magnesom trwałym, na wał lub na szereg generatorów elektrycznych, które mają "zwielokrotnić" otrzymaną energię. Magnesy w rzeczywistości działają jak proste bezstykowe koła zębate, co daje złudzenie przenoszenia ruchu bez tarcia, a zatem, co za tym idzie, bez przenoszenia momentu mechanicznego. Jeśli pominiemy mechaniczne przenoszenie momentu obrotowego, możemy zatem pomyśleć, że wystarczy podłączyć kilka stopni generatorów do jednego silnika, aby zwielokrotnić energię wejściową „za darmo”. Aby jednak pomnożyć energię, trzymając się definicji mocy mechanicznej , należałoby:
Pierwsza hipoteza nie jest weryfikowana doświadczalnie, ponieważ przekładnia jest synchroniczna, a między silnikiem wykonawczym a generatorami nie „tworzą się” prędkości. Druga hipoteza narusza podstawową zasadę dynamiki (równoważność działań i reakcji): silnik nie może zapewnić większego momentu mechanicznego niż suma momentów rezystancyjnych generatorów, a zatem moment obrotowy też nie jest „tworzony”.
Léon-Raoul Hatem złożył dwa wnioski patentowe dotyczące „półmagnetycznego zespołu silnika wytwarzającego dodatkową energię kinetyczną” w 2001 i 2006 roku, pierwszy definitywnie odrzucony w 2013 roku, drugi przepadł w 2012 roku. silnik zasilający 4 generatory o mocy nominalnej 2200 W każdy. Zakładając, że całkowita moc wyjściowa wynosi 8800 W, w rzeczywistości zakłada, że rzeczywista moc silnika i generatorów podczas ich pracy jest zawsze równa ich mocy znamionowej (której nie weryfikuje) lub mocy wytwarzanej przez a. maszyna synchroniczna lub asynchroniczna w rzeczywistości zależy od obciążenia elektrycznego lub mechanicznego przyłożonego na wyjściu. Teoretycznie obciążenie elektryczne podłączone do generatorów wytwarza siłę przeciwelektromotoryczną w cewkach generatora, co skutkuje rezystancyjnym momentem obrotowym przyłożonym do wału generatora, a silnik po prostu zapewnia wsteczny moment obrotowy równy sumie generatorów pary oporowe wszystkich generatorów ( podstawowa zasada dynamiki ). Biorąc pod uwagę, że Hatem nie wykonuje pomiarów mocy (za pomocą watomierzy) na wyjściu generatorów i że podczas demonstracji stosuje do niego jedynie niskie ładunki elektryczne (projektory halogenowe), nie można zweryfikować jego hipotezy, a wnioski, z których on wyciąga stan teorii termodynamicznej wykracza poza ramy eksperymentalne i dowody, których dostarcza.
Jean-Pierre Petit , inżynier i były dyrektor ds. badań w CNRS, w 2014 roku skrytykował wyniki systemu Hatem, używanego przez Fabrice André w schronisku Col de Sarenne, krytykując w szczególności błędy interpretacji fizycznej (pomylenie napięcia z energią elektryczną) i oferując jej audyt przeprowadzony przez zespół naukowy z wykorzystaniem watomierzy, czego André nie sprawdził. W 2011 roku 12/13 France 3 Alpes poświęca Fabrice'owi André raport, w którym przedstawia się go jako posiadacza „17 patentów”, ale jego nazwiska nie ma w bazie danych patentów INPI. Schronisko na przełęczy Sarenne zostało zniszczone w wyniku przypadkowego pożaru wgrudzień 2016.
W latach 2006-2010 Michel J. Brady sprzedał 61 silników perpetual motion „Perendev” (PERpetual ENergy DEVice) opartych na magnesach trwałych o mocy od 100 do 300 kW klientom niemieckim i prawdopodobnie większej liczbie w Niemczech na świecie. Rozkaz nigdy nie został zrealizowany, został zatrzymany14 kwietnia 2010 za defraudację w Szwajcarii i ekstradycję do Niemiec, gdzie odbywał karę pozbawienia wolności do październik 2014. Jedynym dowodem na to, że jego system działa, jest kiepskiej jakości film z YouTube zamieszczony wLuty 2003. Jest to urządzenie, w którym stojan i wirnik są wykonane z magnesów trwałych o przeciwnych biegunach. Takie urządzenie narusza prawo Lenza-Faraday'a, ponieważ pole magnetyczne magnesów jest stałe, więc jego strumień jest stały, ale zmienność strumienia magnetycznego jest konieczna do wytworzenia siły elektromotorycznej, a więc pracy mechanicznej . We wszystkich silnikach indukcyjnych zmienność ta jest wymuszana przez zmianę kierunku prądu w elektromagnesach (cewkach). W przypadku braku zmian strumienia magnetycznego , działające siły są statyczne i nie powstaje żadna praca. Teoretycznie więc silnik z magnesami trwałymi nie może wytworzyć pracy, a jeśli się obraca, porusza się tylko dzięki własnej bezwładności (przy niezerowej prędkości początkowej) i dopóki tarcie go nie zatrzyma, jak na niektórych demonstracjach. W oryginalnym filmie Brady'ego zmiana strumienia magnetycznego może być spowodowana stopniowym zamykaniem stojana, co nie tłumi dopływu energii zewnętrznej, a zatem nie jest sprzeczne z teorią.
Prototypy autorstwa Léona-Raoula Hatema, Fabrice'a André i Michela J. Brady'ego nigdy nie zostały ocenione, zweryfikowane i zatwierdzone przez niezależnych naukowców, pomimo ich relacji w mediach, w tym w publicznych kanałach telewizyjnych. Ich eksperymentalnym układom nie towarzyszy żadne teoretyczne wyjaśnienie ani żadne fizyczne modelowanie, które mogłoby wyjaśnić ich działanie lub wykazać ich fizyczną ważność. Przedstawione przez nich filmy zawsze pokazują ich generatory w trybie bez obciążenia lub przy bardzo niskim obciążeniu, przez krótki czas, podczas gdy moce wyjściowe, które reklamują, są znacznie większe niż obciążenia elektromechaniczne stosowane podczas demonstracji. Wynalazcy ci nigdy nie opublikowali wyników, badań ani analiz umożliwiających ilościowe określenie rzeczywistej wydajności ich urządzeń (eksperymentalne pomiary prędkości, mocy wejściowej i wyjściowej). Jednak ich relatywne relacje w mediach, a także ich filantropijne obietnice i ambicje, w połączeniu z brakiem zainteresowania przemysłowców ich pracą, są źródłem wielu teorii spiskowych na blogach i forach alternatywnych, które przypisują niekomercjalizację tych „technologii”. »Z przyczyn innych niż brak funkcjonalnego i należycie ocenionego prototypu (na przykład: spisek lobby naftowego i/lub nuklearnego).