Termodynamiikan ensimmäinen laki, yhtälöt, esimerkit

Se Termodynamiikan ensimmäinen laki toteaa, että järjestelmän energian kokemat muutokset tulevat tehdystä mekaanisesta työstä sekä ympäristön kanssa vaihdetut lämpöä. Olipa ne levossa tai liikkuessa, objekteilla (järjestelmillä) on erilaisia ​​energioita, jotka voidaan muuttaa luokasta toiseen jonkin tyyppisellä prosessilla.

Jos järjestelmä on laboratorion hiljaisuudessa ja sen mekaaninen energia on 0, sillä on silti sisäistä energiaa, koska sen muodostavat hiukkaset kokevat jatkuvasti satunnaisia ​​liikkeitä.

Kuvio 1. Polttomoottori käyttää ensimmäistä termodynamiikan lakia työn tuottamiseen. Lähde: Pixabay.

Hiukkasten satunnaiset liikkeet yhdessä sähköisten vuorovaikutusten ja joissain tapauksissa ydin.

Näiden muutosten toteuttamiseen on useita tapoja:

- Ensimmäinen on, että järjestelmä vaihtaa lämpöä ympäristön kanssa. Tämä tapahtuu, kun näiden kahden välillä on lämpötilaero. Sitten kuumin tuottaa lämpöä - tavan siirtää energiaa - kylmimpiin, kunnes molemmat lämpötilat tasoittuvat, saavuttaen lämpötasapainon.

- Suorittamalla työn, onko järjestelmä suoritettu vai että ulkoinen agentti tekee sen järjestelmässä.

- Massan lisääminen järjestelmään (massa on yhtä suuri energia).

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

- Q ja W positiivinen (+), kun järjestelmä vastaanottaa lämpöä ja työtä suoritetaan (energia siirretään).

- Q ja W negatiivinen (-), jos järjestelmä antaa lämpöä ja toimii ympäristössä (energia vähenee).

[TOC]

Kaavat ja yhtälöt

Termodynamiikan ensimmäinen laki on toinen tapa vakuuttaa, että energiaa ei luoda tai tuhota, vaan että se muuttuu tyypistä toiseen. Näin tehdään lämpöä ja työtä, jota voidaan käyttää. Matemaattisesti ilmaisee seuraavasti:

ΔU = Q + W

Missä:

- ΔU on muutos järjestelmän energiassa, jonka on annettu: ΔU = lopullinen energia - alkuenergia = u_F - TAI_jompikumpi

- Q on lämmönvaihto järjestelmän ja ympäristön välillä.

- W on järjestelmälle tehty työ.

Joissakin teksteissä ensimmäinen termodynamiikan laki esitetään näin:

Δu = q - w

Tämä ei tarkoita, että virheitä on tai virhe on olemassa. Se johtuu siitä, että W -työ määritettiin järjestelmän tekemäksi työksi järjestelmän tekemisen työn käytön sijasta, kuten IUPAC -lähestymistavassa.

Tämän kriteerin avulla termodynamiikan ensimmäinen laki esitetään tällä tavalla:

Kun määrä lämpöä siirretään keholle ja tämä puolestaan ​​toimii jonkin verran W: tä, sen sisäisen energian muutos annetaan Δ: llaU = q - w.

Olla johdonmukainen merkkien valinnan kanssa ja ottaen huomioon sen:

Voi palvella sinua: Hydraulinen puristus

W - _{Valmistettu järjestelmästä} = - W _{Järjestelmän valmistama}

Molemmat kriteerit antavat oikeita tuloksia.

Tärkeitä havaintoja ensimmäisestä termodynamiikan laista

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

Ensimmäinen termodynamiikan laki tarjoaa tietoa energian muutoksesta, ei lopullisen tai alkuperäisen energian absoluuttisista arvoista. Jopa jotkut heistä voitaisiin pitää 0, koska mikä on arvojen ero.

Toinen tärkeä johtopäätös on, että jokaisella eristetyllä järjestelmällä on ΔU = 0, koska se ei pysty vaihtamaan lämpöä ympäristön kanssa, eikä yksikään ulkoinen aine sallia tehdä työtä sen kanssa, energia pysyy vakiona. Lämpö kahvin pitämiseksi kuumana on kohtuullinen lähestymistapa.

Joten YK: n eristetyssä ΔU -järjestelmä on aina erilainen kuin 0? Ei välttämättä, ΔU voi olla 0, jos sen muuttujat, jotka ovat yleensä paine, lämpötila, tilavuus ja moolien lukumäärä, kulkevat syklin läpi, jossa niiden alkuperäiset ja lopulliset arvot ovat samat.

Esimerkiksi Carnot -syklissä kaikesta lämpöenergiasta tulee käyttökelpoinen työ, koska se ei harkitse kitkan tai viskositeetin aiheuttamia tappioita.

Mitä tulee u, järjestelmän salaperäinen energia, hän sisältää:

- Hiukkasten kineettinen energia liikkuessa ja atomien ja molekyylien värähtelyistä ja kiertoista tulevat se.

- Potentiaalienergia, joka johtuu atomien ja molekyylien välisestä sähköisestä vuorovaikutuksesta.

- Atomi -ytimen vuorovaikutukset, kuten auringon sisäpuolella.

Sovellukset

Ensimmäisessä laissa todetaan, että lämpöä ja työtä on mahdollista tuottaa järjestelmän muutoksen sisäinen energia. Yksi menestyneimmistä sovelluksista on polttomoottori, jossa tietyn määrän kaasua otetaan ja sen laajennusta käytetään työn suorittamiseen. Toinen hyvin tunnettu sovellus on höyrykone.

Moottorit käyttävät yleensä syklejä tai prosesseja, joissa järjestelmä alkaa tasapainon alkuperäisestä tasapainosta toiseen lopulliseen tilaan, myös tasapainosta. Monet heistä tapahtuvat olosuhteissa, jotka helpottavat työn ja lämmön laskemista ensimmäisestä laista.

Seuraavaksi esittelemme yksinkertaisia ​​malleja, jotka kuvaavat usein ja päivittäisiä tilanteita. Havainnollistavimmat prosessit ovat adiabaattisia, isokoruja, isotermisiä, isotermisiä prosesseja, suljettuja rataprosesseja ja vapaa laajennus. Niissä järjestelmämuuttuja on vakio ja siten ensimmäinen laki hyväksyy tietyn muodon.

Isocoric -prosessit

Ovat niitä, joissa järjestelmän tilavuus pysyy vakiona. Siksi työtä ei tehdä, ja W = 0 on edelleen:

ΔU = Q

Isobárico -prosessit

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

Voi palvella sinua: Resistanssilämpömittari: Ominaisuudet, toiminta, käyttö

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

W = voima X -siirto = f.ΔL (Voimassa vakiovoimaa rinnakkain siirtymisen kanssa).

Ja puolestaan ​​paine on:

P = f /a ⇒ f = p.-Lla

Korvaamalla tämän voiman työn ilmaisussa, se johtaa:

W = p. -Lla. ΔL

Mutta tuote -Lla. ΔL Se vastaa tilavuuden ΔV muutosta, jättäen teoksen näin:

W = p ΔV.

Isobarista prosessia varten ensimmäinen laki hyväksyy lomakkeen:

Δu = q - p ΔV

Isotermiset prosessit

Ne ovat ne, jotka kulkevat vakiossa lämpötilassa. Tämä voi tapahtua asettamalla järjestelmä ulkoisella lämpösäiliöllä ja tekemällä lämmönvaihtoa suoritettaessa hyvin hitaasti, niin että lämpötila on vakio.

Esimerkiksi lämpö voi virtata kuumasta säiliöstä järjestelmään, jolloin järjestelmä voi tehdä työtä ilman vaihtelua ΔU: ssa. Niin:

Q + W = 0

Adiabaattiset prosessit

Adiabaattisessa prosessissa ei ole lämpöenergian siirtoa, joten q = 0 ja ensimmäinen laki pelkistetään arvoon ΔU = w. Tämä tilanne voidaan antaa hyvin eristetyissä järjestelmissä ja tarkoittaa, että energian muutos johtuu siitä tehdystä työstä, nykyisen merkin yleissopimuksen (IUPAC) mukaan (IUPAC) mukaan.

Voitaisiin ajatella, että koska lämpöenergian siirtoa ei ole, lämpötila pysyy vakiona, mutta se ei ole aina niin. Yllättäen eristetyn kaasun puristus johtaa sen lämpötilan nousuun, kun taas adiabaattisessa laajennuksessa lämpötila laskee.

Suljetut rataprosessit ja vapaa laajennus

Jonkin sisällä Suljettu rataprosessi, Järjestelmä palaa samaan tilaan, joka sillä oli alussa, riippumatta siitä, mitä välipisteissä tapahtui. Nämä prosessit mainittiin edellä puhuttaessa eristämättömistä järjestelmistä.

Niissä ΔU = 0 ja siksi Q = W tai Q = -W hyväksyttyjen merkkien kriteerin mukaan.

Suljetut rataprosessit ovat erittäin tärkeitä, koska ne muodostavat lämpökoneiden, kuten höyrykoneen, perustan.

Lopuksi, Ilmainen laajennus Se on idealisointi, joka suoritetaan termisesti eristetyssä astiassa, joka sisältää kaasua. Astiassa on kaksi osastoa, jotka on erotettu osiolla tai kalvolla ja kaasu on yhdessä niistä.

Astian tilavuus kasvaa yhtäkkiä, jos kalvo on rikki ja kaasu laajenee, mutta säiliö ei sisällä mäntää tai mitään muuta liikkuvaa esinettä. Silloin kaasu ei toimi laajentuessa ja w = 0. Lämpöeristetyksi q = 0 ja heti päätellään, että ΔU = 0.

Siksi vapaa laajentuminen ei aiheuta muutoksia kaasun energiassa, vaan paradoksaalisesti laajentumisen aikana ei ole tasapainossa.

Esimerkit

- Tyypillinen isocoric -prosessi on kaasun lämmitys hermeettisessä ja jäykässä astiassa, esimerkiksi painepotissa ilman pakoventtiiliä. Tällä tavoin tilavuus pysyy vakiona ja jos laitamme tällaisen astian kosketukseen muihin kappaleisiin, kaasun sisäinen energia muuttuu vain tämän kosketuksen takia lämmönsiirron ansiosta.

Voi palvella sinua: Ceded Heat: Formulat, miten se lasketaan ja ratkaistaan ​​harjoituksia

- Lämpökoneet suorittavat syklin, jossa ne ottavat lämpöä lämpövarastoista, tekevät melkein kaikesta työhön, jättäen osan omaan toimintaansa ja ylimääräistä lämpöä kaataa sen toiseen kylmempaan säiliöön, joka on yleensä ympäristö.

- Kastikkeiden valmistelu peittämättömässä potissa on päivittäinen esimerkki isobarisesta prosessista, koska keittäminen suoritetaan ilmakehän paineessa ja salsan tilavuus pienenee ajan myötä, kun taas neste haihduttaa.

- Ihanteellinen kaasu, jossa isoterminen prosessi tapahtuu, ylläpitää paineen tuotetta tilavuusvakiona: P. V = vakio.

- Kuumaveren eläinten aineenvaihdunta antaa heille mahdollisuuden ylläpitää jatkuvaa lämpötilaa ja suorittaa useita biologisia prosesseja ruoan sisältämän energian kustannuksella.

Kuva 2. Urheilijat, kuten lämpökoneet, käyttävät polttoainetta työn tekemiseen ja liiallinen menetetään hikillä. Lähde: Pixabay.

Ratkaisut

Harjoitus 1

Kaasu puristetaan vakiopaineessa 0.800 atm, niin että sen tilavuus vaihtelee 9: stä.00 L A 2.00 L. Prosessissa kaasu tuottaa 400 J lämpöenergiaa. a) Löydä kaasulle tehty työ ja b) Laske sen sisäisen energian muutos.

Ratkaisu)

Adiabaattisessa prosessissa se täyttyy P_jompikumpi = P_F, Kaasulle tehty työ on W = p. ΔV, Kuten edellisissä osissa selitetään.

Seuraavat muuntokertoimet vaaditaan:

1 ATM = 101.325 kPa = 101.325 PA.

1 L = 0.001 m³

Siksi: 0 -.8 ATM = 81.060 PA ja ΔV = 9 - 2 L = 7 L = 0.007 m³

Arvojen korvaaminen saadaan:

W = 81060 PA X 0.007 m³ = 567.42 J

Ratkaisu b)

Kun järjestelmä antaa lämpöä, Q - Sille on annettu merkki -siksi termodynamiikan ensimmäinen laki pysyy tällä tavalla:

ΔU = -400 J + 567.42 J = 167.42 J.

Harjoitus 2

On tiedossa, että kaasun sisäinen energia on 500 J ja kun sen tilavuus on pakattu 100 cm: ssä³. Jos kaasun kohdistettu paine puristuksen aikana oli 3.00 atm, laske kaasun sisäinen energia adiabaattisen puristuksen jälkeen.

Ratkaisu

Koska lausunto ilmoittaa, että pakkaus on adiabaattista, se täyttyy Q = 0 ja ΔU = W, niin:

Δu = w = u _lopullinen - TAI _alkukirjain

U: n alkuperäinen = 500 J.

Tietojen mukaan ΔV = 100 cm³ = 100 x 10^-6 m³ ja 3 ATM = 303975 PA, siksi:

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

TAI _lopullinen - TAI _alkukirjain = 30.4 J

TAI _lopullinen = U _alkukirjain + 30.4 J = 500 J + 30.4 J = 530.4 J.

Viitteet

1. Bauer, W. 2011. Fysiikka tekniikkaan ja tieteisiin. Osa 1. MC Graw Hill.
2. Cengel, ja. 2012. Termodynamiikka. 7^mehu Painos. McGraw Hill.
3. Figueroa, D. (2005). Sarja: Tieteen ja tekniikan fysiikka. Osa 4. Nesteet ja termodynamiikka. Toimittanut Douglas Figueroa (USB).
4. López, c. Termodynamiikan ensimmäinen laki. Toipunut: Culturacientifica.com.
5. Ritari, r. 2017. Tutkijoiden fysiikka ja tekniikka: strategialähestymistapa. Pearson.
6. Serway, R., ULOLE, c. 2011. Fysiikan perusteet. 9^naa Ed. Cengage -oppiminen.
7. Sevillan yliopisto. Lämpökoneet. Toipunut: Laplace.meille.On.
8. Wikiwand. Adiabaattinen prosessi. Toipunut: Wikiwand.com.