Pierwsze prawo formuł termodynamicznych, równania, przykłady

Pierwsze prawo termodynamiki stwierdza, że ​​każda zmiana doświadczana przez energię systemu pochodzi z wykonywanej pracy mechanicznej, a także ciepło wymieniane ze środowiskiem. Niezależnie od tego, czy są w spoczynku, czy poruszają się, obiekty (systemy) mają różnorodne energie, które można przekształcić z jednej klasy na drugą przez pewien rodzaj procesu.

Jeśli system znajduje się w bezruchu laboratorium, a jego energia mechaniczna wynosi 0, nadal ma energię wewnętrzną, ponieważ cząstki, które tworzą go stale, doświadczają losowych ruchów.

Rysunek 1. Wewnętrzny silnik spalinowy wykorzystuje pierwsze prawo termodynamiki do tworzenia pracy. Źródło: Pixabay.

Losowe ruchy cząstek, wraz z interakcjami elektrycznymi, aw niektórych przypadkach jądrowe.

Istnieje kilka sposobów wprowadzenia tych zmian:

- Po pierwsze, system wymienia ciepło ze środowiskiem. Dzieje się tak, gdy istnieje różnica temperatur między nimi. Następnie najgorętsze daje ciepło - sposób na przeniesienie energii - do najzimniejszych, aż do wyrównania obu temperatur, osiągając równowagę termiczną.

- Przeprowadzając pracę, niezależnie od tego, czy system przeprowadza się, czy też agent zewnętrzny robi to w systemie.

- Dodanie masy do układu (masa równa się energii).

Niech energia wewnętrzna, równowaga byłaby δu = u końcowa - U inicjał, więc wygodnie jest przypisać znaki, które zgodnie z kryteriami IUPAC (Międzynarodowe Zrzeszenie Chemii Czystej i Stosowanej) Czy:

- Q i W dodatnie (+), gdy system odbiera ciepło i pracuje na nim (energia jest przenoszona).

- Q i W ujemne (-), jeśli system daje ciepło i działa w środowisku (zmniejsza się energia).

[TOC]

Wzory i równania

Pierwsze prawo termodynamiki to kolejny sposób potwierdzenia, że ​​energia nie jest tworzona ani niszczona, ale że jest przekształcana z jednego typu na inny. W ten sposób nastąpi ciepło i prace, których można użyć. Matematycznie wyraża następujące:

Δu = q + w

Gdzie:

- Δu to zmiana energii systemu podana przez: δu = energia końcowa - energia początkowa = u_F - LUB_albo

- Q to wymiana ciepła między systemem a środowiskiem.

- W to praca wykonana w systemie.

W niektórych tekstach pierwsze prawo termodynamiki jest prezentowane w ten sposób:

Δu = q - w

Nie oznacza to, że wystąpił jakiś błąd lub błąd. Wynika to z faktu, że Worka W została zdefiniowana jako praca wykonana przez system zamiast używać pracy wykonanej w systemie, jak w podejściu IUPAC.

Z tym kryterium w ten sposób stwierdzono pierwsze prawo termodynamiki:

Gdy ilość ciepła jest przenoszona do ciała, a to z kolei pracuje W, zmiana jego energii wewnętrznej jest podawana przez δU = q - w.

Jest zgodny z wyborem znaków i biorąc pod uwagę:

Może ci służyć: prasa hydrauliczna

W _{Wykonane o systemie} = - w _{Wykonane przez system}

Oba kryteria dadzą prawidłowe wyniki.

Ważne obserwacje dotyczące pierwszego prawa termodynamiki

Zarówno ciepło, jak i praca to dwa sposoby przenoszenia energii między systemem a jego środowiskiem. Wszystkie zaangażowane kwoty mają jako jednostkę w systemie międzynarodowym lipiec lub Joule, skrócone J.

Pierwsze prawo termodynamiki zawiera informacje o zmianie energii, a nie wartości bezwzględnych energii końcowej lub początkowej. Nawet niektóre z nich można uznać za 0, ponieważ liczy się różnica wartości.

Kolejnym ważnym wnioskiem jest to, że każdy izolowany system ma δu = 0, ponieważ nie jest w stanie wymieniać ciepła z środowiskiem i żaden środek zewnętrzny nie może nad nim pracować, wówczas energia pozostaje stała. Termos, aby utrzymać kawę na gorąco to rozsądne podejście.

Tak więc w izolowanym systemie UNU zawsze różni się od 0? Niekoniecznie, δu może wynosić 0, jeśli jego zmienne, które zwykle są ciśnieniem, temperaturą, objętością i liczbą moli, przechodzą przez cykl, w którym ich wartości początkowe i końcowe są takie same.

Na przykład w cyklu Carnota cała energia cieplna staje się użyteczną pracą, ponieważ nie rozważa strat z powodu tarcia lub lepkości.

Jeśli chodzi o u, tajemniczą energię systemu, zawiera:

- Energia kinetyczna cząstek podczas poruszania się i ta, która pochodzi z wibracji i obrotów atomów i cząsteczek.

- Energia potencjalna spowodowana interakcjami elektrycznymi między atomami i cząsteczkami.

- Interakcje jądra atomowego, jak we wnętrzu słońca.

Aplikacje

Pierwsze prawo określa, że ​​możliwe jest wytwarzanie ciepła i pracy poprzez zmianę energii wewnętrznej zmiany systemu. Jednym z najbardziej udanych zastosowań jest silnik spalinowy, w którym pobierana jest pewna objętość gazu, a jego rozszerzenie jest używane do wykonywania pracy. Kolejną dobrze znaną aplikacją jest silnik parowy.

Silniki zwykle używają cykli lub procesów, w których układ zaczyna się od początkowej równowagi równowagi do innego stanu końcowego, również równowagi. Wiele z nich odbywa się w warunkach, które ułatwiają obliczanie pracy i ciepła z pierwszego prawa.

Następnie przedstawiamy proste modele, które opisują częste i codzienne sytuacje. Najbardziej ilustracyjnymi procesami są procesy adiabatyczne, izokoryczne, izotermiczne, izotermiczne, zamknięte procesy trajektorii i bezpłatna ekspansja. W nich zmienna systemowa jest stała, a zatem pierwsze prawo przyjmuje określoną formę.

Procesy izokoryczne

Są te, w których objętość systemu pozostaje stała. Dlatego praca nie jest wykonywana i pozostaje w = 0:

Δu = q

Procesy Isobárico

W tych procesach ciśnienie pozostaje stałe. Prace wykonane przez system jest spowodowane zmianą objętości.

Może ci służyć: termometr oporności: charakterystyka, operacja, użycia

Załóżmy, że ograniczony gaz w pojemniku. Ponieważ praca W jest zdefiniowana jako:

W = siła x przemieszczenie = f.ΔL (ważny dla stałej siły równoległej do przesunięcia).

A z kolei presja wynosi:

P = f /a ⇒ f = p.DO

Zastępując tę ​​siłę w wyrażaniu pracy, wynika to:

W = p. DO. ΔL

Ale produkt DO. ΔL Jest to równoważne zmianie objętości δv, pozostawiając pracę w ten sposób:

W = p δv.

W przypadku procesu izobarycznego pierwsze prawo przyjmuje formularz:

Δu = q - p δv

Procesy izotermiczne

To one przechodzą w stałej temperaturze. Może się to nastąpić, umieszczając system z zewnętrznym zbiornikiem termicznym i dokonując bardzo powoli wymiany ciepła, tak że temperatura jest stała.

Na przykład ciepło może przepływać z gorącego zbiornika do systemu, umożliwiając systemowi działanie, bez zmienności w δu. Więc:

Q + w = ​​0

Procesy adiabatyczne

W procesie adiabatycznym nie ma transferu energii termicznej, dlatego q = 0, a pierwsze prawo jest zmniejszone do δu = w. Tę sytuację można podawać w dobrze izolowanych systemach i oznacza, że ​​zmiana energii wynika z pracy, która została na niej wykonana, zgodnie z konwencją obecną znaki (IUPAC).

Można by pomyśleć, że ponieważ nie ma transferu energii cieplnej, temperatura pozostanie stała, ale nie zawsze tak jest. Co zaskakujące, kompresja izolowanego gazu powoduje wzrost jego temperatury, podczas gdy w rozszerzeniu adiabatycznym temperatura zmniejsza się.

Zamknięte procesy trajektorii i bezpłatne rozszerzenie

W Zamknięty proces trajektorii, System powraca do tego samego stanu, co na początku, niezależnie od tego, co wydarzyło się w punktach pośrednich. Procesy te zostały wymienione powyżej, gdy mówił o systemach niezakłóconych.

W nich δu = 0, a zatem q = w lub q = -w zgodnie z kryterium przyjętych znaków.

Zamknięte procesy trajektorii są bardzo ważne, ponieważ stanowią podstawę maszyn termicznych, takich jak maszyna parowa.

Wreszcie Bezpłatne rozszerzenie Jest to idealizacja przeprowadzana w pojemniku izolowanym termicznie, który zawiera gaz. Pojemnik ma dwa przedziały oddzielone partycją lub membraną, a gaz jest w jednym z nich.

Objętość pojemnika nagle wzrasta, jeśli membrana jest zepsuta, a gaz rozszerza się, ale pojemnik nie zawiera tłoka ani żadnego innego obiektu do poruszania się. Wtedy gaz nie działa podczas rozszerzenia i w = 0. Do bycia izolowanym termicznie q = 0 i natychmiast stwierdza się, że δu = 0.

Dlatego wolna ekspansja nie powoduje zmian energii gazowej, ale paradoksalnie podczas rozszerzenia nie jest w równowadze.

Przykłady

- Typowym procesem izokorycznym jest ogrzewanie gazu w hermetycznym i sztywnym pojemniku, na przykład garnek bez zaworu wydechowego. W ten sposób objętość pozostaje stała, a jeśli umieścimy taki pojemnik w kontakcie z innymi ciałami, energia wewnętrzna gazu zmienia się tylko dzięki przeniesieniu ciepła z powodu tego kontaktu.

Może ci służyć: Ceded Heat: Formule, jak je obliczyć i rozwiązane ćwiczenia

- Maszyny termiczne wykonują cykl, w którym pobierają ciepło ze złoża termicznego, sprawiają, że prawie wszystko działało, pozostawiając część do własnej działalności i nadmiar ciepła wlewa go do innego chłodniejszego zbiornika, który zwykle jest środowiskiem.

- Przygotowanie sosów w odkrytym doniczce jest codziennym przykładem procesu izobarycznego, ponieważ gotowanie odbywa się pod ciśnieniem atmosferycznym, a objętość salsy zmniejsza się z czasem, jednocześnie odparowując ciekł.

- Gaz idealny, w którym odbywa się proces izotermiczny, utrzymuje iloczyn stałej objętości: P. V = stała.

- Metabolizm zwierząt z blaskiem na gorąco pozwala im utrzymać stałą temperaturę i przeprowadzać wiele procesów biologicznych, kosztem energii zawartej w żywności.

Rysunek 2. Sportowcy, podobnie jak maszyny termiczne, zużywają paliwo do pracy, a nadmiar jest tracony przez pot. Źródło: Pixabay.

Rozwiązane ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Gaz jest ściskany przy stałym ciśnieniu 0.800 atm, tak że jego objętość różni się od 9.00 l A 2.00 l. W trakcie procesu gaz daje 400 J energii cieplnej. a) Znajdź pracę wykonaną na gazie i b) obliczyć zmianę energii wewnętrznej.

Rozwiązanie)

W procesie adiabatycznym jest to spełnione P_albo = P_F, Praca wykonana na gazie jest W = p. Δv, Jak wyjaśniono w poprzednich sekcjach.

Wymagane są następujące czynniki konwersji:

1 atm = 101.325 kPa = 101.325 Pa.

1 l = 0.001 m³

Dlatego: 0.8 atm = 81.060 Pa i δV = 9 - 2 l = 7 l = 0.007 m³

Uzyskuje się wymianę wartości:

W = 81060 pa x 0.007 m³ = 567.42 J

Rozwiązanie B)

Kiedy system daje ciepło, do Q Jest przypisany znak -dlatego pierwsze prawo termodynamiki pozostaje w ten sposób:

Δu = -400 J + 567.42 J = 167.42 J.

Ćwiczenie 2

Wiadomo, że energia wewnętrzna gazu wynosi 500 J, a gdy jego objętość jest kompresowana adiabatycznie w 100 cm³. Jeśli przyłożone ciśnienie na gaz podczas kompresji wynosił 3.00 atm, oblicz energię wewnętrzną gazu po kompresji adiabatycznej.

Rozwiązanie

Ponieważ stwierdzenie informuje, że kompresja jest adiabatyczna, jest to spełnione Q = 0 I Δu = w, Więc:

Δu = w = u _finał - LUB _wstępny

Z u początkowym = 500 J.

Zgodnie z danymi ΔV = 100 cm³ = 100 x 10^-6 M³ I 3 atm = 303975 PA, W związku z tym:

W = p . ΔV = 303975 PA x 100 x 10^-6 M³ = 30.4 J

LUB _finał - LUB _wstępny = 30.4 J

LUB _finał = U _wstępny + 30.4 J = 500 J + 30.4 J = 530.4 J.

Bibliografia

1. Bauer, w. 2011. Fizyka inżynierii i nauki. Tom 1. MC Graw Hill.
2. Cengel i. 2012. Termodynamika. 7^mama Wydanie. McGraw Hill.
3. Figueroa, zm. (2005). Seria: Fizyka nauk i inżynierii. Tom 4. Płyny i termodynamika. Pod redakcją Douglas Figueroa (USB).
4. López, c. Pierwsze prawo termodynamiki. Odzyskane z: cultureacientafica.com.
5. Knight, r. 2017. Fizyka dla naukowców i inżynierii: podejście strategiczne. osoba.
6. Serway, r., Vulle, c. 2011. Podstawy fizyki. 9^na Wyd. Cengage Learning.
7. Uniwersytet Sevilla. Maszyny termiczne. Odzyskany z: Laplace.nas.Jest.
8. Wikiwand. Proces adiabatyczny. Odzyskane z: Wikiwand.com.