Prvi zakon formul termodinamike, enačbe, primeri

The Prvi zakon termodinamike navaja, da vsaka sprememba, ki jo doživlja energija sistema. Ne glede na to, ali so v mirovanju ali premikajo.

Če je sistem v mirnosti laboratorija in je njegova mehanska energija 0, ima še vedno notranjo energijo, ker delci, ki ga sestavljajo, nenehno doživljajo naključne gibe.

Slika 1. Motor za notranje zgorevanje uporablja prvi zakon termodinamike za izdelavo dela. Vir: Pixabay.

Naključni premiki delcev skupaj z električnimi interakcijami in v nekaterih primerih jedrsko.

Obstaja več načinov, kako se te spremembe zgodijo:

- Prva je, da sistem izmenjuje toploto z okoljem. To se zgodi, kadar obstaja temperaturna razlika med obema. Potem najbolj vroča daje toploto - način prenosa energije - na najhladnejše, dokler se obe temperaturi ne izenačita, in dosežejo toplotno ravnovesje.

- Z delom, ne glede na to, ali sistem izvaja, ali da ga zunanji agent naredi v sistemu.

- Dodajanje mase sistemu (masa enaka energija).

Naj bo notranja energija, ravnovesje bi bilo ΔU = u končno - u začetno, zato je priročno dodeliti znake, ki po merilih IUPAC (Mednarodna zveza čiste in uporabne kemije) so:

- Q in W pozitivno (+), ko sistem prejme toploto in se na njem izvaja (energija se prenese).

- Q in W negativno (-), če sistem daje toploto in deluje na okolju (energija se zmanjšuje).

[TOC]

Formule in enačbe

Prvi zakon termodinamike je še en način za potrditev, da energija ne ustvarja ali uničuje, ampak da se pretvori iz ene vrste v drugo. Pri tem se bosta zgodila toplota in delo, ki jih je mogoče uporabiti. Matematično izraža na naslednji način:

ΔU = Q + W

Kje:

- ΔU je sprememba energije sistema, ki jo daje: ΔU = končna energija - začetna energija = u_F - Ali_tudi

- Q je izmenjava toplote med sistemom in okoljem.

- W je delo v sistemu.

V nekaterih besedilih je predstavljen prvi zakon termodinamike tako:

ΔU = Q - W

To ne pomeni, da obstaja kakšna napaka ali pride do napake. To je posledica dejstva, da je bilo W delo opredeljeno kot delo, ki ga je opravljal sistem, namesto da bi uporabil delo, opravljeno v sistemu, kot v pristopu IUPAC.

S tem kriterijem je na ta način naveden prvi zakon termodinamike:

Ko se količina toplote prenese v telo in to pa nekaj dela, spremembo njegove notranje energije daje δU = q - w.

Biti skladen z izbiro znakov in upoštevanje:

Vam lahko služi: hidravlični tisk

W _{Narejen o sistemu} = - w _{izdelal sistem}

Oba merila bosta dala pravilne rezultate.

Pomembna opažanja o prvem zakonu termodinamike

Tako toplota in delo sta dva načina prenosa energije med sistemom in njegovim okoljem. Vsi vpleteni zneski imajo kot enota v mednarodnem sistemu julij ali Joule, skrajšano J.

Prvi zakon termodinamike ponuja informacije o spremembi energije, ne o absolutnih vrednostih končne ali začetne energije. Tudi nekatere od njih bi lahko vzeli kot 0, saj je tisto, kar šteje, razlika v vrednostih.

Drug pomemben zaključek je, da ima vsak izolirani sistem ΔU = 0, saj ne more izmenjati toplote z okoljem in nobenega zunanjega sredstva ne sme delovati, potem energija ostane konstantna. Termos za vročo kavo je razumen pristop.

Torej je v izoliranem sistemu ΔU vedno drugačen od 0? Ni nujno, da je lahko ΔU 0, če njegove spremenljivke, ki so običajno tlak, temperatura, prostornina in število molov, prehajajo skozi cikel, v katerem sta njihovi začetni in končni vrednosti enake.

V Carnotovem ciklu na primer vsa toplotna energija postane uporabno delo, saj ne razmišlja o izgubah zaradi trenja ali viskoznosti.

Kar zadeva u, skrivnostno energijo sistema, vključuje:

- Kinetična energija delcev pri premikanju in tiste, ki izvira iz vibracij in vrtenja atomov in molekul.

- Potencialna energija zaradi električnih interakcij med atomi in molekulami.

- Interakcije atomskega jedra, kot v notranjosti sonca.

Prijave

Prvi zakon določa, da je mogoče proizvajati toploto in delo s spreminjanjem notranje energije sistema. Ena najuspešnejših aplikacij je motor za notranje zgorevanje, v katerem se vzame določena količina plina in se njegova širitev uporablja za opravljanje dela. Druga dobro znana aplikacija je parni motor.

Motorji običajno uporabljajo cikle ali procese, v katerih se sistem začne od začetnega ravnotežja do drugega končnega stanja, prav tako ravnotežja. Mnogi od njih potekajo pod pogoji, ki olajšajo izračun dela in toplote iz prvega zakona.

Nato predstavimo preproste modele, ki opisujejo pogoste in vsakodnevne situacije. Najbolj ilustrativni procesi so adiabatski, izokorični, izotermalni, izotermalni procesi, zaprti postopki in brezplačna širitev. V njih je spremenljivka sistema konstantna in posledično prvi zakon sprejme določen obrazec.

Izokorični procesi

So tisti, v katerih količina sistema ostane konstantna. Zato delo ni opravljeno in ostane w = 0:

ΔU = q

Isobárico procesi

V teh procesih tlak ostane konstanten. Delo, ki ga opravlja sistem.

Vam lahko služi: termometer upora: značilnosti, delovanje, uporabe

Recimo zaprti plin v posodi. Ker je delo W opredeljeno kot:

W = sil x premik = f.Δl (Velja za konstantno silo vzporedno z premikom).

In pritisk je:

P = f /a ⇒ f = p.Do

Z nadomeščanjem te sile pri izražanju dela rezultat:

W = p. Do. Δl

Toda izdelek Do. Δl To je enakovredno spremembi volumna ΔV, tako da delo pušča tako:

W = p Δv.

Za izobarični postopek prvi zakon sprejme obrazec:

ΔU = Q - P ΔV

Izotermalni procesi

Oni so tisti, ki prehajajo pri konstantni temperaturi. To se lahko zgodi tako, da sistem postavite z zunanjim toplotnim rezervoarjem in izmenjavo toplote izvedete zelo počasi, tako da je temperatura konstantna.

Na primer, toplota lahko teče iz vročega rezervoarja v sistem, kar omogoča, da sistem deluje, brez sprememb v ΔU. Tako:

Q + W = 0

Adiabatski procesi

V adiabatskem procesu ni prenosa toplotne energije, zato se q = 0 in prvi zakon zmanjša na ΔU = W. To situacijo je mogoče dati v dobro izoliranih sistemih in pomeni, da sprememba energije izvira iz dela, ki je bilo opravljeno na njej, v skladu s konvencijo o trenutnih znakih (IUPAC).

Lahko bi si mislili, da bo temperatura, ker ni prenosa toplotne energije, ostala konstantna, vendar ni vedno tako. Presenetljivo je, da stiskanje izoliranega plina povzroči zvišanje temperature, medtem ko se pri adiabatski ekspanziji temperatura znižuje.

Zaprti postopki poti in brezplačna širitev

V Zaprti postopek poti, Sistem se vrne v isto stanje, ki ga je imel na začetku, ne glede na to, kaj se je zgodilo na vmesnih točkah. Ti procesi so bili omenjeni zgoraj, ko so govorili o neizoliranih sistemih.

V njih ΔU = 0 in zato q = w ali q = -W v skladu s kriterijem sprejetih znakov.

Zaprti postopki usmeritve so zelo pomembni, ker predstavljajo temelje toplotnih strojev, kot je parni stroj.

Končno, Brezplačna širitev To je idealizacija, ki se izvaja v toplotno izolirani posodi, ki vsebuje plin. Zabojnik ima dva predela, ločena s pregrada ali membrano, plin pa je v eni od njih.

Prostornina vsebnika se nenadoma poveča, če se membrana pokvari in se plin razširi, vendar posoda ne vsebuje bata ali katerega koli drugega predmeta za premikanje. Potem plin med širjenjem ne deluje in w = 0. Za toplotno izolirano q = 0 in takoj je sklenjeno, da je ΔU = 0.

Zato prosta širitev ne povzroča sprememb v plinski energiji, vendar paradoksalno med širjenjem ni v ravnovesju.

Primeri

- Tipičen izokorični postopek je ogrevanje plina v hermetični in togi posodi, na primer tlačni lonec brez izpušnega ventila. Na ta način je prostornina konstantna in če tak zabojnik postavimo v stik z drugimi telesi, se notranja energija plina spremeni le zaradi prenosa toplote zaradi tega stika.

Vam lahko služi: cedirana toplota: formule, kako jo izračunati in rešiti vaje

- Toplotni stroji izvajajo cikel, v katerem se toploto odvzamejo iz toplotnega nahajališča, skoraj vse naredijo v službi, pri čemer pustijo del za lastno delovanje in odvečna toplota ga vlije v drug hladnejši rezervoar, ki je običajno okolje.

- Priprava omak v nepokritem loncu je dnevni primer izobaričnega procesa, saj se kuhanje izvaja pri atmosferskem tlaku in prostornina salse sčasoma med izhlapevanjem tekočine.

- Idealen plin, v katerem poteka izotermalni postopek, ohranja produkt tlaka s konstanto volumna: Str. V = konstanta.

- Presnova vroče krvi živali jim omogoča ohranjanje konstantne temperature in izvajanje več bioloških procesov na račun energije, ki jo vsebuje hrana.

Slika 2. Športniki, tako kot toplotni stroji, uporabljajo gorivo za delo in presežek se izgubi s znojem. Vir: Pixabay.

Rešene vaje

Vaja 1

Plin se stisne s konstantnim tlakom 0.800 atm, tako da se njegova glasnost giblje od 9.00 L A 2.00 l. V postopku plin daje 400 j toplotne energije. a) Poiščite delo na plin in b) Izračunajte spremembo njegove notranje energije.

Rešitev)

V adiabatskem procesu je izpolnjeno Str_tudi = P_F, Delo na plin je W = p. ΔV, Kot je razloženo v prejšnjih razdelkih.

Potrebni so naslednji faktorji pretvorbe:

1 atm = 101.325 kPa = 101.325 Pa.

1 l = 0.001 m³

Zato: 0.8 atm = 81.060 PA in δV = 9 - 2 l = 7 l = 0.007 m³

Zamenjava vrednosti se dobi:

W = 81060 Pa x 0.007 m³ = 567.42 J

Rešitev B)

Ko sistem daje toploto, Q Dodeljen je znak -zato ostaja prvi zakon termodinamike na ta način:

ΔU = -400 J + 567.42 j = 167.42 J.

Vaja 2

Znano je, da je notranja energija plina 500 j in ko je njena prostornina adiabatno stisnjena v 100 cm³. Če je bil uporabljeni tlak na plin med stiskanjem 3.00 ATM, izračunajte notranjo energijo plina po adiabatskem stiskanju.

Rešitev

Ker izjava sporoča, da je stiskanje adiabatsko, je to izpolnjeno Q = 0 in ΔU = w, tako:

ΔU = W = U _finale - Ali _začetno

Z u začetnikom = 500 j.

Glede na podatke ΔV = 100 cm³ = 100 x 10^-6 m³ in 3 ATM = 303975 PA, Zato:

W = p . ΔV = 303975 Pa x 100 x 10^-6 m³ = 30.4 J

Ali _finale - Ali _začetno = 30.4 J

Ali _finale = U _začetno + 30.4 j = 500 J + 30.4 j = 530.4 J.

Reference

1. Bauer, w. 2011. Fizika za inženiring in znanosti. Zvezek 1. MC Graw Hill.
2. Cengel in. 2012. Termodinamika. 7^ma Izdaja. McGraw Hill.
3. Figueroa, d. (2005). Serija: Fizika za znanost in inženiring. Zvezek 4. Tekočine in termodinamika. Uredil Douglas Figueroa (USB).
4. López, c. Prvi zakon termodinamike. Okrevano od: Culturacienta.com.
5. Vitez, r. 2017. Fizika za znanstvenike in inženiring: strateški pristop. Pearson.
6. Serway, r., Vulle, c. 2011. Osnove fizike. 9^na Ed. Cengage učenje.
7. Univerza Sevilla. Termični stroji. Okreval od: laplace.nas.je.
8. Wikiwand. Adiabatski proces. Okreval od: wikiwand.com.