Prvý zákon termodynamiky, rovnice, príklady

Ten Prvý zákon termodynamiky uvádza, že akákoľvek zmena, ktorú zažíva energia systému, pochádza z vykonanej mechanickej práce, plus tepla vymenená za prostredie. Či už sú v pokoji alebo sa pohybujú, objekty (systémy) majú rozmanité energie, ktoré sa dajú transformovať z jednej triedy na druhú pomocou nejakého typu procesu.

Ak je systém v pokoji laboratória a jeho mechanická energia je 0, má stále vnútornú energiu, pretože častice, ktoré ho tvoria nepretržite, zažívajú náhodné pohyby.

postava 1. Interný spaľovací motor využíva na výrobu práce prvý zákon o termodynamike. Zdroj: Pixabay.

Náhodné pohyby častíc spolu s elektrickými interakciami a v niektorých prípadoch jadrové.

Existuje niekoľko spôsobov, ako dosiahnuť tieto zmeny:

- Prvým je, že systém vymení teplo s prostredím. K tomu dochádza, keď existuje teplotný rozdiel medzi nimi. Potom najhorúcejšie poskytne teplo - spôsob prenosu energie - najchladnejším, až kým sa obe teploty vyrovnávajú, a dosiahne tepelnú rovnováhu.

- Vykonaním práce, či sa systém vykonáva alebo že to robí externý agent v systéme.

- Pridanie hmoty do systému (hmotnosť sa rovná energii).

Nech u Vnútorná energia, rovnováha by bola δu = u final - u počiatočná, takže je vhodné priradiť príznaky, ktoré podľa kritérií IUPAC (Medzinárodná únia čistej a aplikovanej chémie) sú:

- Q a W pozitívne (+), keď systém prijíma teplo a prácu sa vykonáva na ňom (prenáša sa energia).

- Q a W negatívne (-), ak systém dáva teplo a pracuje na životnom prostredí (energia klesá).

[TOC]

Vzorce a rovnice

Prvý zákon termodynamiky je ďalším spôsobom, ako potvrdiť, že energia nie je vytvorená alebo zničená, ale že sa transformuje z jedného typu na druhý. Pritom sa vyskytne teplo a práca, čo sa dá použiť. Matematicky vyjadruje nasledovne:

ΔU = Q + W

Kde:

- ΔU je zmena energie systému daného: ΔU = konečná energia - počiatočná energia = u_F - Alebo_ani

- Q je výmena tepla medzi systémom a životným prostredím.

- W je práca vykonaná v systéme.

V niektorých textoch sa predstavuje prvý zákon termodynamiky:

ΔU = q - w

To neznamená, že existuje nejaká chyba alebo existuje chyba. Je to kvôli skutočnosti, že práca W bola definovaná ako práca, ktorú systém vykonal namiesto používania práce vykonanej v systéme, ako v prístupe IUPAC.

S týmto kritériom je prvým zákonom termodynamiky uvedený týmto spôsobom:

Keď sa prenesie množstvo tepla do tela, čo zase robí nejakú prácu w, zmena jeho vnútornej energie je daná δU = q - w.

Je v súlade s výberom znakov a berúc do úvahy to:

Môže vám slúžiť: hydraulický lis

W _{Vyrobené o systéme} = - w _{Vyrobené systémom}

Obe kritériá poskytnú správne výsledky.

Dôležité pozorovania prvého zákona termodynamiky

Teplo aj práca sú dva spôsoby prenosu energie medzi systémom a jej prostredím. Všetky zúčastnené sumy majú ako jednotku v medzinárodnom systéme júl alebo Joule, skrátene J.

Prvý zákon termodynamiky ponúka informácie o zmene energie, nie o absolútnych hodnotách konečnej alebo počiatočnej energie. Aj niektoré z nich by sa dali považovať za 0, pretože to, čo sa počíta, je rozdiel v hodnotách.

Ďalším dôležitým záverom je, že každý izolovaný systém má AU = 0, pretože nie je schopný vymeniť teplo s prostredím a žiadne vonkajšie činidlo na ňom nie je povolené pracovať, potom energia zostáva konštantná. Termos na udržanie horúcej kávy je rozumný prístup.

Takže v izolovanom systéme AU sa vždy líši od 0? Nie nevyhnutne, ΔU môže byť 0, ak jeho premenné, ktoré sú zvyčajne tlakom, teplotou, objemom a počtom krtkov, prechádzajú cyklom, v ktorom sú ich počiatočné a konečné hodnoty rovnaké.

Napríklad v cykle Carnot sa všetka tepelná energia stáva použiteľnou prácou, pretože neuvažuje o stratách v dôsledku trenia alebo viskozity.

Pokiaľ ide o u, záhadnú energiu systému, zahŕňa:

- Kinetická energia častíc pri pohybe a tá, ktorá pochádza z vibrácií a rotácií atómov a molekúl.

- Potenciálna energia v dôsledku elektrických interakcií medzi atómami a molekulami.

- Interakcie atómového jadra, ako vo vnútri slnka.

Žiadosti

Prvý zákon ustanovuje, že je možné produkovať teplo a pracovať tým, že sa vnútorná energia zmeny systému zmení. Jednou z najúspešnejších aplikácií je motor interného spaľovania, v ktorom sa odoberie určitý objem plynu a jeho expanzia sa používa na vykonávanie práce. Ďalšia dobre známa aplikácia je parný stroj.

Motory zvyčajne používajú cykly alebo procesy, v ktorých systém začína od počiatočnej rovnováhy do iného konečného stavu, tiež rovnováhy. Mnohé z nich sa konajú za podmienok, ktoré uľahčujú výpočet práce a tepla z prvého zákona.

Ďalej uvádzame jednoduché modely, ktoré opisujú časté a každodenné situácie. Viac ilustratívnymi procesmi sú adiabatické, izotermálne, izotermické procesy, procesy uzavretej trajektórie a voľná expanzia. V nich je systémová premenná konštantná, a preto prvý zákon prijíma konkrétnu formu.

Izokorické procesy

Sú tie, v ktorých objem systému zostáva konštantný. Práca sa preto nedarí a byť W = 0 zostáva:

ΔU = Q

Procesy izobárika

V týchto procesoch tlak zostáva konštantný. Práca vykonaná systémom je spôsobená zmenou objemu.

Môže vám slúžiť: Odpor teplomer: Charakteristiky, prevádzka, použitie

Predpokladajme obmedzený plyn v nádobe. Pretože práca w je definovaná ako:

W = sila x posun = f.ΔL (Platí pre konštantnú silu rovnobežnú s posunom).

A zase tlak je:

P = f /a ⇒ f = p.Do

Nahradením tejto sily v vyjadrení práce je výsledkom:

W = p. Do. ΔL

Ale produkt Do. ΔL Je to ekvivalent so zmenou objemu ΔV, takže práca takto ponecháva:

W = p ΔV.

Pri izobarickom procese prvý zákon prijíma formulár:

ΔU = q - p ΔV

Izotermické procesy

Sú tí, ktorí prechádzajú pri konštantnej teplote. Môže sa to uskutočniť umiestnením systému s vonkajšou tepelnou nádržou a vykonaním výmeny tepla veľmi pomaly, takže teplota je konštantná.

Napríklad teplo môže prúdiť z horúcej nádrže do systému, čo umožňuje systému vykonávať prácu, bez variácie v AU. Tak:

Q + W = 0

Adiabatické procesy

V adiabatickom procese nedochádza k prenosu tepelnej energie, preto q = 0 a prvý zákon sa redukuje na ΔU = w. Táto situácia je možné uviesť v dobre izolovaných systémoch a znamená, že zmena energie pochádza z práce, ktorá sa na nej vykonala, podľa súčasného dohovoru o príznakoch (IUPAC).

Dalo by sa predpokladať, že keďže nedôjde k prenosu tepelnej energie, teplota zostane konštantná, ale nie vždy to tak. Prekvapivo, kompresia izolovaného plynu vedie k zvýšeniu jeho teploty, zatiaľ čo pri adiabatickej expanzii teplota klesá.

Uzavreté procesy trajektórie a voľné rozširovanie

V Proces uzavretej trajektórie, Systém sa vracia do rovnakého stavu, aký mal na začiatku, bez ohľadu na to, čo sa stalo v stredných bodoch. Tieto procesy boli uvedené vyššie, keď hovorili o neisolovaných systémoch.

V nich ΔU = 0, a teda q = w alebo q = -w podľa kritéria prijatých príznakov.

Procesy uzavretej trajektórie sú veľmi dôležité, pretože tvoria základ tepelných strojov, ako je napríklad parný stroj.

Nakoniec Expanzia Je to idealizácia, ktorá sa vykonáva v tepelne izolovanej nádobe, ktorá obsahuje plyn. Kontajner má dva oddiely oddelené oddielom alebo membránou a plyn je v jednej z nich.

Objem nádoby sa náhle zvýši, ak je membrána zlomená a plyn sa rozširuje, ale nádoba neobsahuje piest ani iný objekt, ktorý sa má pohybovať. Potom plyn nefunguje pri rozširovaní a w = 0. Za tepelne izolovanú q = 0 a okamžite sa dospelo k záveru, že ΔU = 0.

Preto voľná expanzia nespôsobuje zmeny v energii plynu, ale paradoxne pri rozširovaní nie je v rovnováhe.

Príklady

- Typickým izokorickým procesom je zahrievanie plynu v hermetickej a tuhej nádobe, napríklad tlakový hrniec bez výfukového ventilu. Týmto spôsobom zostane objem konštantný a ak vložíme taký kontajner do kontaktu s inými telami, vnútorná energia plynu sa mení iba vďaka prenosu tepla v dôsledku tohto kontaktu.

Môže vám slúžiť: Ceded Heat: Vzorce, ako ho vypočítať a vyriešiť cvičenia

- Tepelné stroje vykonávajú cyklus, v ktorom sa z tepelného ložiska vyvíjajú z tepelného vkladu, robia takmer všetko do práce, zanechajúc časť pre svoju vlastnú prevádzku a prebytočné teplo ho naleje do inej chladnejšej nádrže, čo je zvyčajne životné prostredie.

- Príprava omáčok v odkrytom hrnci je denným príkladom izobarického procesu, pretože varenie sa vykonáva pri atmosférickom tlaku a objem salsa sa v priebehu času znižuje a odparuje sa kvapalina.

- Ideálny plyn, v ktorom dochádza k izotermickému procesu, zachováva produkt tlaku podľa objemu konštanty: P. V = konštanta.

- Metabolizmus zvierat s teplom, ktorý im umožňuje udržiavať konštantnú teplotu a vykonávať viac biologických procesov na úkor energie obsiahnutej v potravinách.

Obrázok 2. Športovci, podobne ako tepelné stroje, používajú palivo na prácu a prebytok sa stratí prostredníctvom potu. Zdroj: Pixabay.

Vyriešené cvičenia

Cvičenie 1

Plyn je stlačený pri konštantnom tlaku 0.800 atm, takže jeho objem sa pohybuje od 9.00 L A 2.00 l. V tomto procese plyn poskytuje 400 j tepelnej energie. a) Nájdite prácu vykonanú na plyne a b) vypočítajte zmenu jeho vnútornej energie.

Riešenie do)

V adiabatickom procese je splnené P_ani = P_F, Práca vykonaná na plyne je W = p. ΔV, Ako je vysvetlené v predchádzajúcich častiach.

Vyžadujú sa tieto konverzné faktory:

1 bankomat = 101.325 kPa = 101.325 PA.

1 l = 0.001 m³

Preto: 0.8 ATM = 81.060 PA a δV = 9 - 2 l = 7 l = 0.007 m³

Výmena hodnôt sa získa:

W = 81060 pa x 0.007 m³ = 567.42 J

Riešenie b)

Keď systém dáva teplo, Otázka Je to pridelené znamenie -preto zostáva prvý zákon termodynamiky týmto spôsobom:

ΔU = -400 J + 567.42 J = 167.42 J.

Cvičenie 2

Je známe, že vnútorná energia plynu je 500 j a keď je jeho objem adiabaticky komprimovaný v 100 cm³. Ak bol aplikovaný tlak na plyn počas kompresie 3.00 atm, vypočítajte vnútornú energiu plynu po adiabatickej kompresii.

Riešenie

Pretože vyhlásenie informuje, že kompresia je adiabatická, splní sa to Q = 0 a ΔU = w, tak:

ΔU = w = u _Konečný - Alebo _{počiatočný}

S počiatočným = 500 j.

Podľa údajov ΔV = 100 cm³ = 100 x 10^-6 m³ a 3 bankomat = 303975 PA, preto:

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

Alebo _Konečný - Alebo _{počiatočný} = 30.4 J

Alebo _Konečný = U _{počiatočný} + 30.4 J = 500 J + 30.4 J = 530.4 J.

Odkazy

1. Bauer, w. 2011. Fyzika pre inžinierstvo a vedy. Zväzok 1. MC Graw Hill.
2. Cengel a. 2012. Termodynamika. 7^mamička Vydanie. McGraw Hill.
3. Figueroa, D. (2005). Séria: Fyzika pre vedu a inžinierstvo. Zväzok 4. Tekutiny a termodynamika. Editoval Douglas Figueroa (USB).
4. López, C. Prvý zákon termodynamiky. Získané z: CulturacieCientificA.com.
5. Rytier, r. 2017. Fyzika pre vedcov a inžinierstvo: Strategický prístup. Pearson.
6. Serway, r., Vulle, C. 2011. Základy fyziky. 9^nat Edimatizovať. Učenie sa.
7. Univerzita. Tepelné stroje. Získané z: Laplace.my.je.
8. Wikiwand. Adiabatický proces. Získané z: Wikiwand.com.