TERMODYNAMIIKAN ENSIMMÄINEN LAKI: KAAVAT, YHTÄLÖT, ESIMERKIT - FYYSINEN - 2026

Ensimmäinen termodynamiikan todetaan muutoksia kokema energia järjestelmä tulee mekaanisesta työstä, sekä vaihdetun lämmön ympäristön kanssa. Olipa ne levossa tai liikkeessä, esineillä (järjestelmillä) on erilaisia ​​energioita, jotka voidaan muuttaa luokasta toiseen jonkin tyyppisen prosessin avulla.

Jos järjestelmä on laboratorion hiljaisuudessa ja sen mekaaninen energia on 0, siinä on edelleen sisäistä energiaa, johtuen siitä, että sen muodostavat hiukkaset kokevat jatkuvasti satunnaisia ​​liikkeitä.

Kuva 1. Polttomoottori käyttää ensimmäistä termodynaamiikan lakia työn tuottamiseksi. Lähde: Pixabay.

Hiukkasten satunnaiset liikkeet yhdessä sähköisten vuorovaikutusten ja joissain tapauksissa ydinvoiman kanssa muodostavat järjestelmän sisäisen energian, ja kun se on vuorovaikutuksessa ympäristöönsä, sisäisen energian muutokset syntyvät.

Näillä muutoksilla voi olla useita tapoja:

- Ensimmäinen on, että järjestelmä vaihtaa lämpöä ympäristön kanssa. Tämä tapahtuu, kun näiden kahden välillä on lämpötilaero. Sitten kuumempi luovuttaa lämpöä - tapa siirtää energiaa - kylmimpaan, kunnes molemmat lämpötilat ovat yhtä suuret ja saavuttavat lämpötasapainon.

- Suorittamalla työn, suorittaako järjestelmä sen vai ulkoinen agentti tekee sen järjestelmässä.

- Massan lisääminen järjestelmään (massa vastaa energiaa).

Olkoon U sisäinen energia, tasapaino olisi ΔU = lopullinen U - alkuperäinen U, joten on kätevää osoittaa merkkejä, jotka IUPAC: n (Kansainvälisen puhtaan ja sovelletun kemian liitto) kriteerien mukaan ovat:

- Positiivinen Q ja W (+), kun järjestelmä vastaanottaa lämpöä ja siihen tehdään työtä (energia siirtyy).

- Negatiiviset Q ja W (-), jos järjestelmä luovuttaa lämpöä ja suorittaa ympäristöä koskevia töitä (vähentää energiaa).

Kaavat ja yhtälöt

Termodynamiikan ensimmäinen laki on toinen tapa todeta, että energiaa ei luoda eikä tuhota, vaan se muuttuu tyypistä toiseen. Näin toimimalla on syntynyt lämpöä ja työtä, joka voidaan hyödyntää hyvällä tavalla. Matemaattisesti se ilmaistaan ​​seuraavasti:

AU = Q + W

Missä:

- ΔU on järjestelmän energian muutos, joka saadaan: ΔU = lopullinen energia - alkuenergia = U _f - U _o

- Q on lämmönvaihto järjestelmän ja ympäristön välillä.

- W on järjestelmässä tehty työ.

Joissakin tekstissä termodynamiikan ensimmäinen laki esitetään näin:

AU = Q - W

Tämä ei tarkoita, että ne ovat ristiriidassa keskenään tai että on olemassa virhe. Tämä johtuu siitä, että W-työ määritettiin järjestelmän tekemäksi työksi sen sijaan, että käytettäisiin järjestelmään tehtyä työtä, kuten IUPAC-lähestymistavassa.

Tällä kriteerillä termodynamiikan ensimmäinen laki esitetään tällä tavalla:

Molemmat kriteerit antavat oikeat tulokset.

Tärkeitä huomioita termodynamiikan ensimmäisestä laista

Sekä lämpö että työ ovat kaksi tapaa siirtää energiaa järjestelmän ja sen ympäristön välillä. Kaikilla mukana olevilla määrillä on yksikkönä kansainvälisessä järjestelmässä jouli tai joule, lyhennettynä J.

Termodynamiikan ensimmäinen laki antaa tietoa energian muutoksesta, ei lopullisen tai lähtöenergian absoluuttisista arvoista. Jotkut niistä voidaan jopa ottaa arvoon 0, koska tärkeintä on arvojen ero.

Toinen tärkeä johtopäätös on, että jokaisella eristetyllä järjestelmällä on ΔU = 0, koska se ei kykene vaihtamaan lämpöä ympäristön kanssa, eikä ulkoisten tekijöiden sallita tehdä työtä sen kanssa, joten energia pysyy vakiona. Termos, joka pitää kahvin lämpimänä, on kohtuullinen arvio.

Joten eristämättömässä järjestelmässä ΔU on aina erilainen kuin 0? Ei välttämättä, ΔU voi olla 0, jos muuttujat, jotka ovat yleensä paine, lämpötila, tilavuus ja moolien lukumäärä, käyvät läpi syklin, jossa niiden alku- ja loppuarvot ovat samat.

Esimerkiksi Carnot-syklissä kaikki lämpöenergia muunnetaan käyttökelpoiseksi työksi, koska siinä ei oteta huomioon kitkaa tai viskositeetin menetyksiä.

Mitä tulee järjestelmän salaperäiseen energiaan U, hän sisältää:

- Hiukkasten kineettinen energia liikkuessaan ja se, joka tulee atomien ja molekyylien värähtelyistä ja pyörimyksistä.

- atomien ja molekyylien välisistä sähköisistä vuorovaikutuksista johtuva potentiaalinen energia.

- Atomituumalle tyypilliset vuorovaikutukset, kuten auringon sisällä.

Sovellukset

Ensimmäisen lain mukaan on mahdollista tuottaa lämpöä ja työtä aiheuttamalla järjestelmän sisäisen energian muutos. Yksi menestyneimmistä sovelluksista on polttomoottori, jossa otetaan tietty määrä kaasua ja sen laajennusta käytetään töiden suorittamiseen. Toinen tunnettu sovellus on höyrykone.

Moottorit käyttävät yleensä jaksoja tai prosesseja, joissa järjestelmä alkaa tasapainotilan alusta alkaen toiseen lopputilaan, myös tasapainoon. Monet niistä tapahtuvat olosuhteissa, jotka helpottavat työn ja lämmön laskemista ensimmäisestä laista.

Tässä on yksinkertaisia ​​malleja, jotka kuvaavat yleisiä, jokapäiväisiä tilanteita. Eniten kuvaavia prosesseja ovat adiabaattiset, isokoriset, isotermiset, isobariset prosessit, suljetun polun prosessit ja vapaa laajennus. Niissä järjestelmämuuttuja pidetään vakiona ja näin ollen ensimmäinen laki on tietyssä muodossa.

Isohoriset prosessit

Ne ovat niitä, joissa järjestelmän tilavuus pysyy vakiona. Siksi mitään työtä ei tehdä ja kun W = 0, se pysyy:

AU = Q

Isobaariset prosessit

Näissä prosesseissa paine pysyy vakiona. Järjestelmän tekemä työ johtuu volyymin muutoksesta.

Oletetaan, että säiliöön on suljettu kaasu. Koska työ W on määritelty seuraavasti:

Kun tämä voima korvataan lausekkeella työ, se johtaa:

Mutta tuote A. Δl on yhtä suuri kuin tilavuuden muutos ΔV, jättäen työn näin:

Isobarisessa prosessissa ensimmäinen laki on muodossa:

AU = Q - p AV

Isotermiset prosessit

Ne tapahtuvat vakiona lämpötilassa. Tämä voi tapahtua saattamalla järjestelmä kosketuksiin ulkoisen lämpösäiliön kanssa ja aiheuttamalla lämmönvaihdon tapahtuvan hyvin hitaasti, niin että lämpötila on vakio.

Esimerkiksi lämpö voi virrata kuumasta säiliöstä järjestelmään, jolloin järjestelmä voi toimia, ilman ΔU: n muutosta. Niin:

Q + W = 0

Adiabaattiset prosessit

Adiabaattisessa prosessissa lämpöenergiaa ei siirretä, joten Q = 0 ja ensimmäinen laki pienenee arvoon ΔU = W. Tämä tilanne voi tapahtua hyvin eristetyissä järjestelmissä ja tarkoittaa, että energianmuutos tulee työstä, joka on ollut valmistettu sille nykyisen merkkiyleissopimuksen (IUPAC) mukaisesti.

Voidaan ajatella, että koska lämpöenergiaa ei siirretä, lämpötila pysyy vakiona, mutta näin ei aina ole. Yllättäen eristetyn kaasun puristus johtaa sen lämpötilan nousuun, kun taas adiabaattisessa paisutuksessa lämpötila laskee.

Prosessit suljetulla tiellä ja vapaa laajennus

Suljetun polun prosessissa järjestelmä palaa samaan tilaan, jolla se oli alussa, riippumatta siitä, mitä tapahtui välipisteissä. Nämä prosessit mainittiin aiemmin puhuttaessa eristämättömistä järjestelmistä.

Niissä ΔU = 0 ja siksi Q = W tai Q = -W käytetystä merkkikriteeristä riippuen.

Suljetun polun prosessit ovat erittäin tärkeitä, koska ne muodostavat perustan lämpömoottoreille, kuten höyrykoneelle.

Lopuksi, vapaa laajennus on idealisointi, joka tapahtuu lämpöeristetyssä säiliössä, joka sisältää kaasua. Säiliössä on kaksi osastoa, jotka on erotettu väliseinällä tai kalvolla, ja kaasu on yhdessä niistä.

Säiliön tilavuus kasvaa äkillisesti, jos kalvo rikkoutuu ja kaasu laajenee, mutta säiliö ei sisällä mäntää tai muuta liikkuvaa kohdetta. Joten kaasu ei toimi, kun se laajenee ja W = 0. Koska se on lämpöeristetty, Q = 0 ja päätellään välittömästi, että ΔU = 0.

Siksi vapaa paisuminen ei aiheuta muutoksia kaasun energiassa, mutta paradoksaalisesti laajentuessaan se ei ole tasapainossa.

esimerkit

- Tyypillinen isokorinen prosessi on kaasun kuumentaminen ilmatiiviissä ja jäykässä astiassa, esimerkiksi painekattila ilman pakoventtiiliä. Tällä tavalla tilavuus pysyy vakiona ja jos laitamme tällaisen säiliön kosketukseen muiden kappaleiden kanssa, kaasun sisäinen energia muuttuu vain tämän kosketuksen aiheuttaman lämmönsiirron ansiosta.

- Lämpökoneet suorittavat jakson, jossa ne ottavat lämpöä lämpösäiliöstä muuttaen melkein kaiken työksi, jättäen osan omaan toimintaansa ja ylimääräinen lämpö johdetaan toiseen kylmempään säiliöön, joka on yleensä ympäristön.

- Kastikkeiden valmistaminen peittämättömässä astiassa on päivittäinen esimerkki isobarisesta prosessista, koska keittäminen tapahtuu ilmakehän paineessa ja kastikkeen tilavuus pienenee ajan myötä nesteen haihtuneen.

- Ihanteellinen kaasu, jossa tapahtuu isoterminen prosessi, pitää paineen ja tilavuuden tuloksen vakiona: P. V = vakio.

- Lämminveristen eläinten aineenvaihdunta antaa heille mahdollisuuden ylläpitää vakio lämpötilaa ja suorittaa useita biologisia prosesseja ruuan sisältämän energian kustannuksella.

Kuva 2. Urheilijat, kuten lämpökoneet, käyttävät polttoainetta työhönsä ja ylimääräinen katoaa hikeestä. Lähde: Pixabay.

Ratkaistuja harjoituksia

Harjoitus 1

Kaasu puristetaan vakiopaineessa 0,800 atm, niin että sen tilavuus vaihtelee välillä 9,00 L - 2,00 L. Prosessissa kaasu antaa 400 J energiaa lämmön kautta. a) Etsi kaasulla tehdyt työt ja b) laske sisäisen energian muutos.

Ratkaisu)

Adiabaattisessa prosessissa täytetään, että P _o = P _f, kaasulla tehty työ on W = P. ΔV, kuten edellisissä kappaleissa on selitetty.

Seuraavat muuntokertoimet vaaditaan:

Siksi: 0,8 atm = 81,060 Pa ja A V = 9 - 2 L = 7 L = 0,007 m ³

Korvaa saamasi arvot:

Ratkaisu b)

Kun järjestelmä luovuttaa lämpöä, Q: lle annetaan merkki -, siksi termodynamiikan ensimmäinen laki on seuraava:

AU = -400 J + 567,42 J = 167,42 J.

Harjoitus 2

On tunnettua, että sisäinen energia kaasun on 500 J, ja kun se on pakattu adiabaattisesti sen tilavuus pienenee 100 cm ³. Jos kaasuun puristuksen aikana kohdistettu paine oli 3,00 atm, laske kaasun sisäinen energia adiabaattisen puristuksen jälkeen.

Ratkaisu

Koska lausunnossa kerrotaan, että pakkaus on adiabaattinen, on totta, että Q = 0 ja ΔU = W, niin:

Alkuperäisellä U = 500 J.

Tulosten mukaan ΔV = 100 cm ³ = 100 x 10 - ⁶ m ³ ja 3 atm = 303975 Pa, siksi:

Viitteet

1. Bauer, W. 2011. Fysiikka tekniikan ja tieteiden aloille. Nide 1. Mc Graw Hill.
2. Cengel, Y. 2012. Termodynamiikka. 7 ^ma Edition. McGraw Hill.
3. Figueroa, D. (2005). Sarja: Fysiikka tiedelle ja tekniikalle. Osa 4: Nesteet ja termodynamiikka. Toimittanut Douglas Figueroa (USB).
4. López, C. Termodynamiikan ensimmäinen laki. Palautettu osoitteesta: culturac Scientifica.com.
5. Knight, R. 2017. Fysiikka tutkijoille ja tekniikoille: strateginen lähestymistapa. Pearson.
6. Serway, R., Vulle, C. 2011. Fysiikan perusteet. 9 ^na Ed. Cengage Learning.
7. Sevillan yliopisto. Lämpökoneet. Palautettu osoitteesta: laplace.us.es.
8. Wikiwand. Adiabaattinen prosessi. Palautettu osoitteesta: wikiwand.com.