- Формуле и једначине
- Важна запажања о првом закону термодинамике
- Апликације
- Изохорни процеси
- Изобарски процеси
- Изотермални процеси
- Адиабатски процеси
- Процеси затвореног пута и слободна експанзија
- Примери
- Решене вежбе
- Вежба 1
- Решење за)
- Решење б)
- Вежба 2
- Решење
- Референце
Први закон термодинамике држава да свака промена која енергијом система долази од механичког обављеног посла, плус топлоте размењене са околином. Без обзира на то јесу ли у мировању или су у покрету, објекти (системи) имају различиту енергију, која се путем неке врсте процеса може трансформисати из једне класе у другу.
Ако је систем у мировању лабораторија и његова механичка енергија је 0, он и даље има унутрашњу енергију, због чињенице да честице које га састављају непрестано доживљавају насумична кретања.
Слика 1. Мотор са унутрашњим сагоревањем користи први закон термодинамике за производњу рада. Извор: Пикабаи.
Насумична кретања честица, заједно са електричним интеракцијама, а у неким случајевима и нуклеарним, чине унутрашњу енергију система и када интеракција са окружењем настаје варијација унутрашње енергије.
Постоји неколико начина да се те промене десе:
- Прво је да систем размењује топлоту са околином. То се догађа када постоји разлика у температури између ова два. Тада топлија одустаје од топлоте - начина преноса енергије - до оне најхладније, све док обе температуре нису једнаке, достижући топлотну равнотежу.
- Обављајући посао, било да га систем обавља, или га спољни агент ради у систему.
- Додавање масе систему (маса једнака енергији).
Нека је У унутрашња енергија, биланс би био ΔУ = крајњи У - почетни У, тако да је прикладно доделити знакове, који су према ИУПАЦ критеријуму (Међународна унија чисте и примењене хемије) следећи:
- Позитивни К и В (+), када систем прима топлоту и на њему се ради (енергија се преноси).
- Негативни К и В (-), ако систем одустаје од топлоте и обавља рад на околини (смањује енергију).
Формуле и једначине
Први закон термодинамике је други начин да се каже да се енергија не ствара нити уништава, већ се трансформише из једне врсте у другу. То ће произвести топлоту и рад, који се могу добро искористити. Математички се изражава на следећи начин:
ΔУ = К + В
Где:
- ΔУ је промена енергије система која је дата: ΔУ = финална енергија - почетна енергија = У ф - У о
- К је размена топлоте између система и околине.
- В је посао обављен у систему.
У неким текстовима први закон термодинамике представљен је овако:
ΔУ = К - В
То не значи да се супротстављају једни другима или да постоји грешка. То је зато што је рад В дефинисан као рад који је извршио систем, а не користећи рад који се обавља на систему, као у ИУПАЦ приступу.
Уз овај критеријум, први закон термодинамике је наведен на овај начин:
Оба критеријума ће дати тачне резултате.
Важна запажања о првом закону термодинамике
И топлота и рад су два начина преноса енергије између система и његове околине. Све укључене количине имају у Међународном систему јединицу јоуле или јоуле, скраћено Ј.
Први закон термодинамике даје информације о промени енергије, а не о апсолутним вредностима крајње или почетне енергије. Неки од њих би се чак могли узети као 0, јер оно што се рачуна је разлика у вредностима.
Други важан закључак је да сваки изоловани систем има ΔУ = 0, пошто није у стању да размењује топлоту са околином, и ниједан спољни агент не сме да ради на њему, тако да енергија остаје константна. Термос за загревање кафе је разумна апроксимација.
Дакле, у неизолованом систему ΔУ се увек разликује од 0? Не нужно, ΔУ може бити 0 ако његове варијабле, које су обично притисак, температура, запремина и број молова, пролазе кроз циклус у којем су њихове почетне и крајње вредности исте.
На пример, у Царнотовом циклусу, сва топлотна енергија се претвара у употребљив рад, јер не разматра трење или губитке вискозности.
Што се тиче У, мистериозне енергије система, она укључује:
- Кинетичка енергија честица док се крећу и она која потиче од вибрација и ротација атома и молекула.
- Потенцијалну енергију због електричне интеракције између атома и молекула.
- Интеракције типичне за атомско језгро, као унутар сунца.
Апликације
Први закон каже да је могуће произвести топлоту и радити узроковањем промене унутрашње енергије система. Једна од најуспешнијих примена је мотор са унутрашњим сагоревањем, у који се узима одређена запремина гаса и његово ширење се користи за обављање послова. Још једна добро позната апликација је парни строј.
Мотори обично користе циклусе или процесе у којима систем креће од почетног стања равнотеже према другом коначном стању, такође равнотежном. Многи од њих одвијају се под условима који олакшавају израчунавање рада и топлотне енергије из првог закона.
Ево једноставних образаца који описују уобичајене, свакодневне ситуације. Најгледанији процеси су адијабатски, изохорски, изотермални, изобарни процеси, процеси затвореног пута и слободна експанзија. У њима се системска варијабла одржава константном и зато први закон има одређени облик.
Изохорни процеси
Они су они у којима јачина система остаје константна. Стога се не ради ништа и са В = 0 остаје:
ΔУ = К
Изобарски процеси
У тим процесима притисак остаје константан. Рад који систем обавља услед промене волумена.
Претпоставимо да је у контејнеру стављен гас. Пошто је рад В дефинисан као:
Замјењујући ову силу у изразу за рад, то резултира:
Али производ А. Δл је једнак промени запремине ΔВ, а рад остаје овако:
За изобарички процес, први закон има облик:
ΔУ = К - п ΔВ
Изотермални процеси
Они су они који се одржавају на константној температури. То се може догодити ако контактирате систем са спољним термичким резервоаром и проузрокујете да се размена топлоте одвија веома споро, тако да је температура константна.
На пример, топлота може да тече из врућег резервоара у систем, омогућавајући систему да ради, без разлике у ΔУ. Тако:
К + В = 0
Адиабатски процеси
У адиабатском процесу нема преноса топлотне енергије, стога је К = 0 и први закон се своди на ΔУ = В. Ова ситуација се може догодити у добро изолованим системима и значи да промена енергије долази од рада који је био направљено на њему, према тренутној конвенцији о знаковима (ИУПАЦ).
Могло би се помислити да пошто нема преноса топлотне енергије, температура ће остати константна, али то није увек случај. Изненађујуће, компресија изолованог гаса доводи до повећања његове температуре, док се код адијабатских експанзија температура смањује.
Процеси затвореног пута и слободна експанзија
У процесу затворене путање, систем се враћа у исто стање у којем је био на почетку, без обзира на то што се десило на интермедијарним тачкама. Ови процеси су поменути и раније када су говорили о неизолованим системима.
У њима је ΔУ = 0 и самим тим К = В или К = -В у зависности од усвојеног критеријума за знакове.
Процеси затвореног пута су врло важни јер чине темељ термичких мотора као што је парни мотор.
Коначно, слободно ширење је идеализација која се одвија у термички изолованом контејнеру који садржи гас. Контејнер има два одељка одвојена преградом или мембраном, а гас је у једном од њих.
Запремина контејнера нагло се повећава ако се мембрана распукне, а гас се шири, али спремник не садржи клип или било који други предмет за померање. Дакле, гас не ради док се шири и В = 0. Будући да је топлотно изолован, К = 0 и одмах се закључује да је ΔУ = 0.
Дакле, слободно ширење не изазива промене у енергији гаса, али парадоксално је док његово ширење није у равнотежи.
Примери
- Типичан изохорски процес је загревање гаса у херметички и крутом контејнеру, на пример шпоретом под притиском без издувног вентила. На овај начин, волумен остаје константан и ако такав контејнер ставимо у контакт са другим телима, унутрашња енергија гаса се мења само захваљујући преносу топлоте услед овог контакта.
- Термичке машине спроводе циклус у коме узимају топлотну енергију из термалног резервоара, претварајући готово све у рад, остављајући део за сопствени рад, а вишак топлоте се одводи у други хладнији резервоар, што је обично амбијентални.
- Припремање сосова у непокривеној посуди свакодневни је пример изобарног процеса, јер се кување врши под атмосферским притиском, а запремина соса смањује се током времена.
- Идеалан гас у коме се одвија изотермални процес одржава производ притиска и запремине константним: П. В = константа.
- Метаболизам топлокрвних животиња омогућава им да одржавају константну температуру и изводе више биолошких процеса, а на штету енергије садржане у храни.
Слика 2. Спортисти, попут термичких машина, користе гориво за обављање послова, а вишак се губи знојем. Извор: Пикабаи.
Решене вежбе
Вежба 1
Плин се компримира под константним притиском од 0,800 атм, тако да његова запремина варира од 9,00 Л до 2,00 Л. У току процеса гас даје 400 Ј енергије кроз топлоту. а) Пронађи посао на гасу и б) израчунај промену своје унутрашње енергије.
Решење за)
У адиабатском процесу је испуњено да је П о = П ф , рад који се обавља на гасу је В = П. ΔВ, како је објашњено у претходним одељцима.
Следећи фактори конверзије су потребни:
Дакле: 0,8 атм = 81,060 Па и Δ В = 9 - 2 Л = 7 Л = 0,007 м 3
Замјена добијених вриједности:
Решење б)
Када систем одустаје од топлоте, К се додељује знаку -, дакле, први закон термодинамике је следећи:
ΔУ = -400 Ј + 567,42 Ј = 167,42 Ј.
Вежба 2
Познато је да се унутрашња енергија гаса је 500 Ј и када се адијабатски компримован запремину смањује за 100 цм 3 . Ако је притисак примењен на гас током компресије 3,00 атм, израчунајте унутрашњу енергију гаса након адијабатске компресије.
Решење
Пошто се из изјаве наводи да је компресија адијабатска, тачно је да је К = 0 и ΔУ = В, тада:
Са почетним У = 500 Ј.
Према подацима ΔВ = 100 цм 3 = 100 к 10 -6 м 3 и 3 атм = 303975 Па, дакле:
Референце
- Бауер, В. 2011. Физика за инжењерство и науке. Свезак 1. Мц Грав Хилл.
- Ценгел, И. 2012. Термодинамика. 7 ма Едитион. МцГрав Хилл.
- Фигуероа, Д. (2005). Серија: Физика за науку и инжењерство. Том 4. Течности и термодинамика. Уредио Доуглас Фигуероа (УСБ).
- Лопез, Ц. Први закон термодинамике. Опоравило од: цултурациентифица.цом.
- Книгхт, Р. 2017. Физика за научнике и инжењерство: стратешки приступ. Пеарсон.
- Серваи, Р., Вулле, Ц. 2011. Основе физике. 9 на ед. Ценгаге Леарнинг.
- Универзитет у Севиљи. Термичке машине. Опоравак од: лаплаце.ус.ес.
- Викиванд. Адиабатски процес. Опоравак од: викиванд.цом.