القانون الأول للديناميكا الحراريةقانون
في أربعينيات القرن التاسع عشر، أدرك عدة علماء في وقت واحد – يوليوس ماير، جيمس جول، وهيرمان فون هيلمهولتز – أن الحرارة ليست مائعًا خفيًا خاصًا، بل شكل من الطاقة قادر على التحول إلى حركة ميكانيكية. أجرى جول تجربة حاسمة: حيث كان وزن هابط يدير أجنحة في مسعر حراري، وسخنت الماء تمامًا بالمقدار الذي يفرضه حفظ الطاقة. في عام 1850، صاغ رودولف كلاوزيوس الفكرة رياضيًا: ΔU = Q − W، حيث ΔU هو ازدياد الطاقة الداخلية، Q الحرارة الموردة، W الشغل المبذول. هذه محاسبة طاقية: كل ما يرد إما يُختزن في الحركة المجهرية للجسيمات، وإما يُصرف للخارج. ولاحقًا فسر ماكسويل وبولتزمان U كمجموع الطاقات الحركية للجزيئات.
كيف يعمل
في قدر على الموقد، يتلقى الماء حرارة؛ جزء من هذه الطاقة يذهب إلى كسر الروابط أثناء التبخر (شغل ضد الضغط الجوي). في محرك الديزل، يُضغط الهواء فتتسارع جزيئاته، فتقفز درجة الحرارة، ويحترق الوقود المحقون فيزيد الطاقة الداخلية بشكل حاد، التي تتحول بدورها إلى حركة المكبس. أما الثلاجة، فبالعكس، تسحب الحرارة من الداخل وتطردها إلى الشبكة الخلفية — حيث يقوم التيار الكهربائي بإنجاز شغل يضخ الحرارة. يربط القانون كل هذه الكميات كمحاسب صارم للطاقة.
💡 جمع جول جهازه الشهير — مسعرًا حراريًا بأجنحة دوارة — واستطاع قياس تسخين الماء بدقة تصل إلى أجزاء من المائة من الدرجة، وحصل على المكافئ الميكانيكي للحرارة بقيمة 4,15 جول/سعرة، وهو قريب بشكل مذهل من القيمة الحديثة 4,184 جول/سعرة.
\Delta U = Q - W
ΔU — التغير في الطاقة الداخلية للنظام (جول)، Q — كمية الحرارة المنقولة إلى النظام (جول)، W — الشغل المنجز من النظام على الوسط المحيط (جول). الطاقة الداخلية U — مجموع الطاقة الحركية والكامنة لجميع الجسيمات الدقيقة؛ ولا تشمل الطاقة الحركية لحركة النظام ككل.