FØRSTE LOV OM TERMODYNAMIK: FORMLER, LIGNINGER, EKSEMPLER - FYSISK - 2025

Den første lov om termodynamik siger, at enhver ændring, der opleves af energien i et system, kommer fra det mekaniske arbejde, der udføres, plus den varme, der udveksles med miljøet. Uanset om de er i ro eller i bevægelse, har objekter (systemer) forskellige energier, som kan omdannes fra en klasse til en anden gennem en eller anden type proces.

Hvis et system er i laboratoriets stilhed, og dets mekaniske energi er 0, har det stadig indre energi på grund af det faktum, at partiklerne, der sammensætter det, konstant oplever tilfældige bevægelser.

Figur 1. En forbrændingsmotor bruger termodynamikens første lov til at fremstille arbejde. Kilde: Pixabay.

De tilfældige bevægelser af partiklerne sammen med de elektriske interaktioner og i nogle tilfælde nukleare udgør systemets indre energi, og når det interagerer med dets miljø, opstår variationer i den indre energi.

Der er flere måder at få disse ændringer til at ske:

- Den første er, at systemet udveksler varme med miljøet. Dette sker, når der er en forskel i temperatur mellem de to. Derefter giver den, der er varmere, op varme - en måde at overføre energi på - til den koldeste, indtil begge temperaturer er ens og når termisk ligevægt.

- Ved at udføre et job, uanset om systemet udfører det, eller en ekstern agent gør det på systemet.

- Tilføjelse af masse til systemet (masse svarer til energi).

Lad U være den interne energi, balancen ville være ΔU = endelig U - indledende U, så det er praktisk at tildele tegn, som ifølge IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) kriterier er:

- Positive Q og W (+), når systemet modtager varme og arbejdet på det (energi overføres).

- Negativ Q og W (-), hvis systemet opgiver varme og udfører arbejde på miljøet (reducerer energi).

Formler og ligninger

Den første lov om termodynamik er en anden måde at angive, at energi hverken skabes eller ødelægges, men transformeres fra en type til en anden. Dette vil have produceret varme og arbejde, som kan bruges godt. Matematisk udtrykkes det som følger:

ΔU = Q + W

Hvor:

- ΔU er ændringen i systemets energi givet af: ΔU = Endelig energi - Startenergi = U _f - U _o

- Q er varmevekslingen mellem systemet og miljøet.

- W er det arbejde, der udføres på systemet.

I nogle tekster præsenteres termodynamikens første lov på denne måde:

ΔU = Q - W

Dette betyder ikke, at de modsiger hinanden, eller at der er en fejl. Dette skyldes, at W-arbejde blev defineret som arbejde udført af systemet i stedet for at bruge arbejde, der blev udført på systemet, som i IUPAC-metoden.

Med dette kriterium er termodynamikens første lov angivet på denne måde:

Begge kriterier giver korrekte resultater.

Vigtige observationer om den første lov i termodynamik

Både varme og arbejde er to måder at overføre energi mellem systemet og dets omgivelser på. Alle de involverede mængder har som enhed i det internationale system joule eller joule, forkortet J.

Den første lov om termodynamik giver information om ændringen i energi, ikke om de absolutte værdier for den endelige eller indledende energi. Nogle af dem kunne endda betragtes som 0, fordi hvad der tæller er forskellen i værdier.

En anden vigtig konklusion er, at ethvert isoleret system har ΔU = 0, da det ikke er i stand til at udveksle varme med miljøet, og intet eksternt middel får lov til at arbejde på det, så energien forbliver konstant. En termos til at holde din kaffe varm er en rimelig tilnærmelse.

Så i et ikke-isoleret system ΔU er altid forskellig fra 0? Ikke nødvendigvis kan ΔU være 0, hvis dens variabler, der normalt er tryk, temperatur, volumen og antal mol, gennemgår en cyklus, hvor deres start- og slutværdier er de samme.

I Carnot-cyklussen konverteres for eksempel al termisk energi til brugbart arbejde, da det ikke overvejer friktion eller viskositetstab.

Hvad angår U, systemets mystiske energi, inkluderer hun:

- Den kinetiske energi fra partiklerne, når de bevæger sig, og den, der kommer fra vibrationer og rotationer af atomer og molekyler.

- Potentiel energi på grund af elektriske interaktioner mellem atomer og molekyler.

- Interaktioner, der er typiske for atomkernen, som inde i solen.

Applikationer

Den første lov hedder, at det er muligt at producere varme og arbejde ved at få et systems indre energi til at ændre sig. En af de mest succesrige anvendelser er forbrændingsmotoren, hvori der tages et vist volumen gas, og dens ekspansion bruges til at udføre arbejde. En anden velkendt anvendelse er dampmotoren.

Motorer bruger normalt cyklusser eller processer, hvor systemet starter fra en begyndende ligevægtstilstand mod en anden sluttilstand, også af ligevægt. Mange af dem finder sted under forhold, der letter beregningen af ​​arbejde og varme fra den første lov.

Her er enkle skabeloner, der beskriver almindelige hverdagssituationer. De mest illustrerende processer er adiabatiske, isochoriske, isotermiske, isobariske processer, lukkede sti-processer og fri ekspansion. I dem holdes en systemvariabel konstant, og derfor tager den første lov en særlig form.

Isokoriske processer

Det er dem, hvor systemets volumen forbliver konstant. Derfor udføres der intet arbejde, og med W = 0 forbliver det:

ΔU = Q

Isobariske processer

I disse processer forbliver trykket konstant. Systemets arbejde skyldes ændringen i volumen.

Antag, at en gas indesluttet i en beholder. Da arbejde W er defineret som:

Ved at erstatte denne kraft i udtrykket af arbejde resulterer det i:

Men produktet A. Δl er lig med volumenændringen ΔV, hvilket giver værket sådan:

Ved en isobarisk proces har den første lov formen:

ΔU = Q - p ΔV

Isotermiske processer

Det er dem, der finder sted ved en konstant temperatur. Dette kan ske ved at bringe systemet i kontakt med et eksternt termisk reservoir og forårsage, at varmevekslingen finder sted meget langsomt, så temperaturen er konstant.

F.eks. Kan varme strømme fra et varmt reservoir ind i systemet, så systemet kan arbejde, uden variation i ΔU. Så:

Q + W = 0

Adiabatiske processer

I den adiabatiske proces er der ingen overførsel af termisk energi, derfor Q = 0, og den første lov reduceres til ΔU = W. Denne situation kan opstå i godt isolerede systemer og betyder, at energiforandringen kommer fra det arbejde, der er blevet lavet på det i henhold til den nuværende tegnkonvention (IUPAC).

Man kunne tro, at da der ikke er nogen overførsel af termisk energi, vil temperaturen forblive konstant, men dette er ikke altid tilfældet. Overraskende resulterer komprimering af en isoleret gas i en stigning i dens temperatur, medens temperaturen ved adiabatisk ekspansion falder.

Processer i lukket vej og fri ekspansion

I en lukket sti-proces vender systemet tilbage til den samme tilstand, det havde i begyndelsen, uanset hvad der skete på mellemliggende punkter. Disse processer blev nævnt før, når vi talte om ikke-isolerede systemer.

I dem ΔU = 0 og derfor Q = W eller Q = -W afhængigt af det anvendte tegnkriterium.

Lukkede veiprocesser er meget vigtige, fordi de danner grundlaget for termiske motorer som f.eks. Dampmotoren.

Endelig er fri ekspansion en idealisering, der finder sted i en termisk isoleret beholder, der indeholder en gas. Beholderen har to rum adskilt med en skillevæg eller membran, og gassen er i et af dem.

Beholderens volumen stiger pludselig, hvis membranen sprænger, og gassen ekspanderer, men beholderen indeholder ikke et stempel eller noget andet objekt, der kan bevæges. Derefter fungerer gassen ikke, mens den ekspanderer og W = 0. Fordi den er termisk isoleret, Q = 0, og det følger med det samme, at ΔU = 0.

Derfor forårsager fri ekspansion ikke ændringer i gasens energi, men paradoksalt nok, mens den udvides, er den ikke i ligevægt.

eksempler

- En typisk isokorisk proces er opvarmning af en gas i en lufttæt og stiv beholder, for eksempel en trykkomfur uden en udstødningsventil. På denne måde forbliver volumen konstant, og hvis vi sætter en sådan beholder i kontakt med andre organer, ændres gasens indre energi kun takket være varmeoverførslen på grund af denne kontakt.

- Termiske maskiner udfører en cyklus, hvor de tager varme fra en termisk tank, hvorved næsten alt omdannes til arbejde, hvilket efterlader en del til deres egen drift, og den overskydende varme dumpes i en anden koldere tank, hvilket generelt er ambient.

- Tilberedning af saucer i en afdækket gryde er et dagligt eksempel på en isobarisk proces, da tilberedningen udføres ved atmosfærisk tryk og volumenet af sovs falder over tid, når væsken fordampes.

- En ideel gas, hvor en isotermisk proces finder sted, holder produktet fra tryk og volumen konstant: P. V = konstant.

- Metabolismen af ​​varmblodede dyr tillader dem at opretholde en konstant temperatur og udføre flere biologiske processer på bekostning af energien i fødevarer.

Figur 2. Atleter, ligesom termiske maskiner, bruger brændstof til at udføre arbejde, og det overskydende går tabt gennem sved. Kilde: Pixabay.

Løst øvelser

Øvelse 1

En gas komprimeres ved et konstant tryk på 0,800 atm, så dens volumen varierer fra 9,00 L til 2,00 L. I processen afgiver gassen 400 J energi gennem varme. a) Find det arbejde, der er udført på gassen, og b) beregne ændringen i dens interne energi.

Løsning på)

I den adiabatiske proces er det opfyldt, at P _o = P _f, arbejdet på gassen er W = P. ΔV, som forklaret i de foregående afsnit.

Følgende konverteringsfaktorer er påkrævet:

Derfor: 0,8 atm = 81,060 Pa og ΔV = 9 - 2 L = 7 L = 0,007 m ³

Udskiftning af de værdier, du får:

Opløsning b)

Når systemet giver op varme, tildeles Q et tegn - derfor er den første lov for termodynamik som følger:

ΔU = -400 J + 567,42 J = 167,42 J.

Øvelse 2

Det er kendt, at den interne energi af en gas er 500 J, og når den komprimeres adiabatisk formindsker sit volumen med 100 cm ³. Hvis trykket, der blev påført gassen under kompression, var 3,00 atm, beregnes den interne energi i gassen efter adiabatisk kompression.

Løsning

Da udsagnet informerer om, at komprimeringen er adiabatisk, er det rigtigt, at Q = 0 og ΔU = W, så:

Med initial U = 500 J.

I henhold til dataene ΔV = 100 cm ³ = 100 x ^10-6 m ³ og 3 atm = 303975 Pa, derfor:

Referencer

1. Bauer, W. 2011. Fysik til ingeniørvidenskab og videnskaber. Bind 1. Mc Graw Hill.
2. Cengel, Y. 2012. Termodynamik. 7 ^ma udgave. McGraw Hill.
3. Figueroa, D. (2005). Serie: Fysik til videnskab og teknik. Volumen 4. Væsker og termodynamik. Redigeret af Douglas Figueroa (USB).
4. López, C. Den første lov om termodynamik. Gendannes fra: culturacientifica.com.
5. Knight, R. 2017. Fysik for forskere og teknik: en strategi-tilgang. Pearson.
6. Serway, R., Vulle, C. 2011. Fundamentals of Physics. 9 ^na Ed. Cengage Learning.
7. Sevilla University. Termiske maskiner. Gendannes fra: laplace.us.es.
8. Wikiwand. Adiabatisk proces. Gendannes fra: wikiwand.com.