Toepassing eerste hoofdwet op gesloten en open systemen

Er is sprake van een gesloten systeem wanneer er geen uitwisseling is van massastromen tussen het systeem en de omgeving. Dit wil niet zeggen dat er bij een gesloten systeem helemaal geen uitwisseling tussen systeem en omgeving plaatsvindt, want uitwisseling van warmte en/of arbeid tussen systeem en omgeving is nog wel mogelijk.

Er zijn verschillen tussen scheikundigen en natuurkundigen wat betreft het positief of negatief rekenen van de uitwisseling van warmte en arbeid tussen systeem en omgeving. In dit webdictaat wordt aangesloten bij wat gebruikelijk is bij de bestudering van warmtemotoren, namelijk dat de warmte die vanuit de omgeving aan een systeem toegevoerd wordt een positief teken heeft (een positieve waarde heeft) en dat de arbeid die een systeem levert ook een positief teken heeft, zie onderstaande tabel met tekenafspraken m.b.t. warmte en arbeid.

	Toegevoerd aan systeem	Geleverd door systeem
warmte	+	-
arbeid	-	+

Volgens de wet van behoud van energie is de totale hoeveelheid energie altijd constant, dus op het moment dat de energie van het systeem toeneemt, neemt de hoeveelheid energie van de omgeving af. Onder de aanname dat de andere vormen van energie, zoals kinetische, potentiële en magnetische energie geen rol spelen, geldt dat de energieverandering van het systeem gelijk is aan de verandering in inwendige energie van het systeem. Bij een gesloten systeem is de energieverandering van de omgeving gelijk aan de hoeveelheid energie die uitgewisseld wordt met het systeem in de vorm van warmte en/of arbeid die de systeemgrens passeert.

De hoeveelheid inwendige energie neemt toe wanneer er een hoeveelheid warmte wordt toegevoerd vanuit de omgeving naar het systeem en neemt af wanneer het systeem arbeid levert. Hiermee wordt de eerste hoofdwet voor een gesloten systeem:

$$ \ΔU = Q - W $$
Wanneer er wel uitwisseling van massastromen tussen systeem en omgeving plaatsvindt, is niet de verandering in inwendige energie maar de verandering in enthalpie van belang. Analoog aan bovenstaande vergelijking geldt voor de eerste hoofdwet voor een stationair open systeem met een toe- en een afvoerstroom:

$$ \ΔH = Q - W $$
Hierbij wordt met $W$ de arbeid exclusief de stromingsarbeid bedoeld, aangezien de stromingsarbeid al wordt meegenomen in de enthalpiewaarden.