První termodynamický zákon postuluje, že energie celého vesmíru je konstantní, nevzniká ani nezaniká, pouze se může přeměnit jedna forma energie na jinou.
1. Druhy energií
Na střední škole se postupně setkáme s několika druhy energií, jako třeba kinetickou (pohybovou) EK, potenciální (polohovou) EP, aktivační EA, tepelnou Q, vnitřní U a další. Základní jednotkou všech druhů energií je 1 J (Joule, čti džaul).
2. Chemická energie
Pod pojmem chemická energie chápeme energii ukrytou v chemických vazbách. Víme, že při chemických reakcích dochází k zániku vazeb (dodání energie) a vzniku vazeb nových (uvolnění energie). Pokud energie uvolněná z nově vzniklých vazeb je větší než energie potřebná k zániku původních vazeb, dojde v makroskopickém měřítku k uvolnění energie (reakce exotermní), v opačném případě dochází ke spotřebě energie (reakce endotermní). Chemická energie se může přeměňovat na jiné formy energie, například hoření je přeměna chemické energie na energii tepelnou.
3. Přeměna chemické energie na tepelnou
Uhelné elektrárny přeměňují chemickou energii v prvním kroku na energii tepelnou (dochází k ohřátí vody a tvorbě páry), v druhém kroku na energii kinetickou (pára roztáčí turbínu) a v posledním kroku na energii elektrickou (turbína je spojená s generátorem, který v cívkách generuje elektrický proud).
Spálením 1 molu uhlíku na oxid uhličitý se uvolní cca 392,8 kJ tepla (Qm = 392,8 kJ∙mol-1). Kolik gramů uhlí(ku) se musí spálit v elektrárně, abychom tuto energii v domácnosti využili pro ohřev 1 kg (1 litru) vody (c = 4 180 J∙kg-1∙K-1) z 20°C na 100 °C (o 80°C)? Počítáme, že veškerá energie vzniklá spálením uhlíku (M = 12,01 g∙mol-1) se přemění na tepelnou, která je využita pro ohřev vody.
Q = mcΔt = mc(tv-t0) Q = 1 ∙ 4 180 ∙ 80 J = 334,4 kJ
12,01 g C (1 mol) …………………. 392,8 kJ
x g C …………………... ………....…. 334,4 kJ
x = (334,4•12,01)/392,8 g = 10,22 g
Za předpokladu, že veškerá chemická energie se přemění na tepelnou, se pro ohřev 1 litru vody o 80 °C (z 20 °C na 100 °C) musí v elektrárně spálit 10,22 g uhlí(ku).
4. Přeměna chemické energie na potenciální
Lidé přijímají potravu za účelem zisku energie. Potraviny jsou zdrojem chemické energie, kterou tělo dokáže přeměňovat na další druhy energie. Část získané chemické energie se používá na udržení stálé tělesné teploty (tepelná energie), další část se používá na syntézu nových pro tělo nezbytných látek (přeměna chemické energie na energii chemickou), zbylá energie se používá pro krytí fyzické aktivity (kinetická a potenciální energie).
Kolik gumových medvídků musí sníst člověk (mČ = 80 kg) pro dodání energie ke zdolání výškového rozdílu 400 m (v našem zeměpisném pásmu, tedy g = 9,81 m∙s-1), jestliže každý medvídek (mM = 3 g) obsahuje průměrně 70 % sacharosy C12H22O11 (M = 342,3 g∙mol-1, Qm = -2221,7 kJ∙mol-1)?
EP = mČ ∙ g ∙ h EP = 80 ∙ 9,81 ∙ 400 J = 313,92 kJ
342,3 g (1 mol) ……………………… 2221,7 kJ
x g ………………….....………………… 313,92 kJ
x = (313,92•342,3)/2221,7 g = 48,37 g
N = 48,37/3•0,7 = 23 medvídků
Pro získání energie využité pro překonání tohoto výškového rozdílu je třeba sníst 23 gumových medvídků.