Il primo principio della termodinamica esprime la conservazione dell’energia per un sistema termodinamico. Stabilisce che il calore e il lavoro non sono forme di energia contenute nel sistema, ma modi con cui l’energia attraversa il confine del sistema. La grandezza che misura l’energia microscopica accumulata nel sistema è l’energia interna.
Per un sistema chiuso, con la convenzione in cui W è il lavoro compiuto dal sistema sull’ambiente, il bilancio è:
In forma differenziale:
U è funzione di stato: dipende solo dagli stati iniziale e finale. Calore e lavoro, invece, dipendono dal percorso della trasformazione. I simboli \delta Q e \delta W indicano proprio che non sono differenziali esatti. Due trasformazioni tra gli stessi stati possono produrre lo stesso \Delta U ma ripartire l’energia scambiata in modo diverso tra calore e lavoro.
Per un gas ideale l’energia interna dipende solo dalla temperatura. Se il calore specifico molare a volume costante è approssimativamente costante:
In un ciclo termodinamico lo stato finale coincide con quello iniziale e quindi \Delta U=0. Il bilancio diventa:
Questo risultato è alla base delle macchine termiche: il lavoro netto prodotto in un ciclo proviene dal calore netto assorbito. Il primo principio non dice però quanto di quel calore sia convertibile in lavoro utile.
Per un volume di controllo in regime stazionario, utile in turbine, compressori, ugelli e scambiatori, il bilancio energetico si scrive spesso come:
dove h è l’entalpia specifica, V la velocità del flusso e z la quota. In molti problemi ingegneristici alcuni termini si trascurano, ma solo dopo aver verificato la scala fisica del fenomeno.
Il primo principio dice quanto cambia l’energia complessiva, non il verso spontaneo delle trasformazioni né la qualità dell’energia disponibile. Per stabilire irreversibilità, rendimento massimo e direzione naturale dei processi serve il secondo principio.
Vedi anche: Energia interna, Calore, Lavoro termodinamico, Gas ideale, Secondo principio della termodinamica.