La primera llei de la termodinàmica estableix que:
"L'energia total d'un sistema aïllat no es crea ni es destrueix; només es transforma d'una forma a una altra".
Encara que aquesta definició pugui semblar abstracta o tècnica, es reflecteix constantment en fenòmens quotidians i en diverses aplicacions tecnològiques. Per comprendre-la millor, analitzarem alguns exemples pràctics.
En tots aquests casos, recordem que la calor, l'energia i el treball es mesuren a Juliols (J) segons el Sistema Internacional d'Unitats.
1. La conservació de l'energia en una pilota llançada a l'aire
Quan un nen llança una pilota a l'aire, intervenen principalment dos tipus d'energia: cinètica i potencial gravitatòria.
-
En sortir de les mans del nen, la pilota té energia cinètica a causa de la seva velocitat. En aquest instant, la seva energia potencial és mínima perquè encara no ha assolit altura.
-
A mesura que puja, la velocitat disminueix i guanya alçada: l'energia cinètica es transforma en energia potencial.
-
En el punt més alt, la pilota té únicament energia potencial.
-
En descendir, l' energia potencial es transforma novament en energia cinètica, accelerant cap al sòl.
En aquest procés, l'energia total del sistema (baló + Terra) roman constant, sempre que ignorem pèrdues per fregament amb l'aire.
2. Les màquines de vapor
Considerem una locomotora de vapor:
-
L'energia inicial prové del combustible (carbó), que emmagatzema energia química.
-
En cremar el carbó, aquesta energia química es converteix en energia tèrmica, escalfant l' aigua de la caldera.
-
El vapor generat acciona els pistons, transformant l' energia tèrmica en energia mecànica.
-
La locomotora adquireix energia cinètica en moure's.
No obstant això, el sistema no és completament aïllat; hi ha pèrdues:
-
Fum i vapor que escapen a l'ambient.
-
Fricció entre pistons i rodes, i amb la via.
-
Pèrdua de calor cap a l' aire circumdant.
Aquest exemple il·lustra que l'energia no desapareix, sinó que es dissipa o es transforma en formes menys útils, complint la primera llei.
3. Energia solar: fotovoltaica i tèrmica
El Sol és una font constant d'energia. Els seus àtoms contenen energia interna, alliberada mitjançant reaccions de fusió nuclear, que generen radiació solar.
Quan aquesta radiació arriba a la Terra:
-
Els panells solars fotovoltaics converteixen part d'aquesta energia en electricitat.
-
Els panells solars tèrmics transformen l' energia en calor per a aigua o calefacció.
No obstant això, el rendiment mai és del 100%:
-
Part de l' energia es perd en forma de calor residual.
-
Una altra part es reflecteix o es dispersa a l' atmosfera.
Tot i així, l'energia total continua conservant-se, complint la primera llei.
4. Un refrigerador
Un refrigerador no crea fred, sinó que transporta calor des de l' interior a l' exterior mitjançant un cicle termodinàmic:
-
El refrigerant absorbeix calor de l'interior del congelador, disminuint la temperatura interna (energia tèrmica transferida).
-
El compressor realitza treball mecànic sobre el refrigerant, permetent expulsar la calor a l' ambient exterior.
L' energia elèctrica consumida es transforma en treball mecànic i calor.
Cap energia desapareix; només es redistribueix, complint la primera llei.
5. Un automòbil en moviment
En un automòbil en moviment, l' energia es transforma contínuament:
-
L' energia química del combustible esdevé energia tèrmica en cremar-se en el motor.
-
Aquesta energia tèrmica es transforma en energia mecànica que mou les rodes.
-
La fricció i el fregament converteixen part d'aquesta energia en calor, que es dissipa a l'ambient.
De nou, l'energia total es conserva, tot i que es reparteixi en diferents formes.