Plik Pierwsza zasada termodynamiki stwierdza, że każda zmiana, jakiej doświadcza energia systemu, pochodzi z wykonanej pracy mechanicznej oraz ciepła wymienianego z otoczeniem. Niezależnie od tego, czy są w spoczynku, czy w ruchu, obiekty (systemy) mają różne energie, które mogą być przekształcane z jednej klasy do drugiej w wyniku pewnego rodzaju procesu..
Jeśli układ jest w bezruchu laboratorium, a jego energia mechaniczna wynosi 0, nadal ma energię wewnętrzną, ponieważ cząsteczki, które go tworzą, nieustannie doświadczają przypadkowych ruchów.
Przypadkowe ruchy cząstek, wraz z oddziaływaniami elektrycznymi, aw niektórych przypadkach jądrowymi, składają się na energię wewnętrzną układu, a gdy wchodzi on w interakcję z otoczeniem, powstają zmiany energii wewnętrznej..
Istnieje kilka sposobów wprowadzenia tych zmian:
- Po pierwsze, system wymienia ciepło z otoczeniem. Dzieje się tak, gdy występuje różnica temperatur między nimi. Następnie ten, który jest cieplejszy oddaje ciepło - sposób przekazywania energii - najzimniejszym, aż obie temperatury osiągną równowagę termiczną..
- Wykonując zadanie, niezależnie od tego, czy wykonuje je system, czy wykonuje to w systemie agent zewnętrzny.
- Dodawanie masy do systemu (masa równa się energii).
Niech U będzie energią wewnętrzną, bilans wyniósłby ΔU = końcowe U - początkowe U, więc wygodnie jest przypisać znaki, które zgodnie z kryterium IUPAC (Międzynarodowe Zrzeszenie Chemii Czystej i Stosowanej) Oni są:
- Dodatnie Q i W (+), gdy system odbiera ciepło i praca jest skończona nad nim (energia jest przenoszona).
- Ujemne Q i W (-), jeśli system oddaje ciepło i działa na środowisko (energia spada).
Indeks artykułów
Pierwsza zasada termodynamiki to inny sposób stwierdzenia, że energia nie jest tworzona ani niszczona, ale jest przekształcana z jednego typu w inny. Spowoduje to wytworzenie ciepła i pracy, które można dobrze wykorzystać. Matematycznie wyraża się to następująco:
ΔU = Q + W
Gdzie:
- ΔU jest zmianą energii systemu wyrażoną wzorem: ΔU = energia końcowa - energia początkowa = Ufa - LUBlub
- Q to wymiana ciepła między systemem a otoczeniem.
- W jest praca wykonana w systemie.
W niektórych tekstach pierwsza zasada termodynamiki jest prezentowana w następujący sposób:
ΔU = Q - W
Nie oznacza to, że są ze sobą sprzeczne lub że występuje błąd. Dzieje się tak, ponieważ praca W została zdefiniowana jako praca wykonana przez system zamiast korzystać z pracy wykonanej w systemie, jak w podejściu IUPAC.
W przypadku tego kryterium pierwsza zasada termodynamiki jest określona w następujący sposób:
Gdy jest przenoszona ilość ciepła Q do ciała i to z kolei wykonywać określoną pracę W, zmiana jego energii wewnętrznej jest określona przez ΔU = Q - W.
Zachowanie spójności przy wyborze oznaczeń i uwzględnienie, że:
W wykonywane w systemie = - W wykonywane przez system
Oba kryteria dadzą prawidłowe wyniki.
Zarówno ciepło, jak i praca to dwa sposoby przekazywania energii między systemem a jego otoczeniem. Wszystkie ilości, których to dotyczy, mają w układzie międzynarodowym jako jednostkę jednostkę dżul lub dżul, w skrócie J.
Pierwsza zasada termodynamiki dostarcza informacji o zmianie energii, a nie o bezwzględnych wartościach energii końcowej lub początkowej. Nawet niektóre z nich można przyjąć jako 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 otoczeniem i żaden czynnik zewnętrzny nie może na nim pracować, więc energia pozostaje stała. Termos utrzymujący ciepłą kawę to rozsądne przybliżenie.
Czyli w systemie nieizolowanym ΔU jest zawsze różne od 0? Niekoniecznie ΔU może wynosić 0, jeśli jego zmienne, którymi są zwykle ciśnienie, temperatura, objętość i liczba moli, przechodzą przez cykl, w którym ich wartości początkowe i końcowe są takie same.
Na przykład w cyklu Carnota cała energia cieplna jest przekształcana w pracę użytkową, ponieważ nie uwzględnia strat spowodowanych tarciem lub lepkością.
Jeśli chodzi o U, tajemniczą energię systemu, zawiera:
- Energia kinetyczna cząstek podczas ich ruchu oraz energia pochodząca z wibracji i rotacji atomów i cząsteczek.
- Potencjalna energia wynikająca z oddziaływań elektrycznych między atomami i cząsteczkami.
- Oddziaływania jądra atomowego, jak w słońcu.
Pierwsze prawo mówi, że możliwe jest wytwarzanie ciepła i praca poprzez spowodowanie zmiany wewnętrznej energii systemu. Jednym z najbardziej udanych zastosowań jest silnik spalinowy, w którym pobierana jest określona objętość gazu, a jego rozprężanie służy do wykonywania prac. Innym dobrze znanym zastosowaniem jest silnik parowy.
Silniki zwykle wykorzystują cykle lub procesy, w których układ zaczyna się od początkowego stanu równowagi do innego stanu końcowego, również równowagi. Wiele z nich odbywa się w warunkach ułatwiających obliczenie pracy i ciepła z pierwszego prawa.
Oto proste szablony opisujące typowe, codzienne sytuacje. Najbardziej ilustracyjnymi procesami są procesy adiabatyczne, izochoryczne, izotermiczne, izobaryczne, procesy o zamkniętej ścieżce i swobodna ekspansja. W nich zmienna systemowa jest stała iw konsekwencji pierwsze prawo przyjmuje określoną postać.
Są to takie, w których objętość systemu pozostaje stała. Dlatego żadna praca nie jest wykonywana i przy W = 0 pozostaje:
ΔU = Q
W tych procesach ciśnienie pozostaje stałe. Praca wykonywana przez system wynika ze zmiany głośności.
Załóżmy, że gaz zamknięty w pojemniku. Ponieważ praca W jest zdefiniowana jako:
W = siła x przemieszczenie = F.Δl (obowiązuje dla stałej siły równoległej do przemieszczenia).
A z kolei ciśnienie to:
p = F / A ⇒ F = p.A
Podstawiając tę siłę w ekspresji pracy, skutkuje to:
W = p. A. Δl
Ale produkt A. Δl równa się zmianie objętości ΔV, pozostawiając pracę w następujący sposób:
W = p ΔV.
W przypadku procesu izobarycznego pierwsze prawo ma postać:
ΔU = Q - p ΔV
To takie, które mają miejsce w stałej temperaturze. Może to nastąpić poprzez kontakt systemu z zewnętrznym zbiornikiem ciepła i spowodowanie, że wymiana ciepła zachodzi bardzo wolno, tak aby temperatura była stała..
Na przykład ciepło może przepływać ze zbiornika ciepła do systemu, umożliwiając systemowi pracę bez wahań ΔU. Następnie:
Q + W = 0
W procesie adiabatycznym nie ma transferu energii cieplnej, dlatego Q = 0, a pierwsza zasada redukuje się do ΔU = W. Taka sytuacja może wystąpić w systemach dobrze izolowanych i oznacza, że zmiana energii pochodzi z wykonanej pracy. o nim, zgodnie z obowiązującą konwencją znaków (IUPAC).
Można by pomyśleć, że skoro nie ma transferu energii cieplnej, temperatura pozostanie stała, ale nie zawsze tak jest. Zaskakujące jest to, że sprężanie izolowanego gazu powoduje wzrost jego temperatury, podczas gdy w rozszerzaniu adiabatycznym temperatura spada..
W proces zamkniętej ścieżki, system powraca do tego samego stanu, w jakim był na początku, niezależnie od tego, co wydarzyło się w punktach pośrednich. Procesy te zostały wspomniane wcześniej, gdy mówiliśmy o systemach nieizolowanych.
W nich ΔU = 0, a zatem Q = W lub Q = -W zgodnie z przyjętym kryterium znaku.
Procesy o zamkniętej ścieżce są bardzo ważne, ponieważ stanowią podstawę silników termicznych, takich jak silnik parowy..
Wreszcie darmowa ekspansja jest to idealizacja, która ma miejsce w izolowanym termicznie pojemniku zawierającym gaz. Pojemnik ma dwie komory oddzielone przegrodą lub membraną, w jednej z nich znajduje się gaz.
Objętość pojemnika wzrasta nagle, jeśli membrana pęka i gaz rozszerza się, ale pojemnik nie zawiera tłoka ani żadnego innego przedmiotu, który mógłby się poruszać. Wówczas gaz nie działa podczas rozszerzania i W = 0. Ponieważ jest izolowany termicznie, Q = 0 i od razu można wyciągnąć wniosek, że ΔU = 0.
Dlatego swobodna ekspansja nie powoduje zmian energii gazu, ale paradoksalnie podczas rozprężania nie jest w równowadze.
- Typowym procesem izochorycznym jest ogrzewanie gazu w szczelnym i sztywnym pojemniku, na przykład szybkowarze bez zaworu wydechowego. W ten sposób objętość pozostaje stała i jeśli stykamy taki pojemnik z innymi ciałami, energia wewnętrzna gazu zmienia się tylko dzięki przenoszeniu ciepła w wyniku tego kontaktu..
- Maszyny termiczne wykonują cykl, w którym pobierają ciepło ze zbiornika termicznego, zamieniając prawie wszystko na pracę, pozostawiając część do własnej pracy, a nadmiar ciepła jest zrzucany do innego, zimniejszego zbiornika, którym jest ogólnie środowisko..
- Przygotowanie sosów w odkrytym garnku jest codziennym przykładem procesu izobarycznego, ponieważ gotowanie odbywa się pod ciśnieniem atmosferycznym, a objętość sosu zmniejsza się z czasem, gdy ciecz wyparowuje..
- Idealny gaz, w którym zachodzi proces izotermiczny, utrzymuje iloczyn ciśnienia i objętości na stałym poziomie: P. V = stała.
- Metabolizm zwierząt stałocieplnych pozwala im na utrzymanie stałej temperatury i przeprowadzanie wielu procesów biologicznych kosztem energii zawartej w pożywieniu.
Gaz sprężany jest pod stałym ciśnieniem 0,800 atm, dzięki czemu jego objętość waha się od 9,00 L do 2,00 L. W procesie oddaje 400 J energii poprzez ciepło. a) Znajdź pracę wykonaną na gazie i b) oblicz zmianę jego energii wewnętrznej.
W procesie adiabatycznym jest to usatysfakcjonowane P.lub = Pfa, praca wykonana na gazie jest W = P. ΔV, jak wyjaśniono w poprzednich sekcjach.
Wymagane są następujące współczynniki konwersji:
1 atm = 101,325 kPa = 101,325 Pa.
1 L = 0,001 m3
W związku z tym: 0,8 atm = 81,060 Pa i ΔV = 9-2 L = 7 L = 0,007 m3
Podstawiając otrzymane wartości:
W = 81060 Pa x 0,007 m3 = 567,42 J.
Kiedy system oddaje ciepło, Q znak jest przypisany - dlatego pierwsza zasada termodynamiki jest następująca:
ΔU = -400 J + 567,42 J = 167,42 J.
Wiadomo, że energia wewnętrzna gazu wynosi 500 J i gdy jest on sprężany adiabatycznie, jego objętość zmniejsza się o 100 cm3. Jeżeli ciśnienie przyłożone do gazu podczas sprężania wynosiło 3,00 atm, oblicz energię wewnętrzną gazu po sprężeniu adiabatycznym.
Ponieważ stwierdzenie informuje, że kompresja jest adiabatyczna, to prawda Q = 0 Y ΔU = W., następnie:
ΔU = W = U finał - LUB Inicjał
Przy początkowym U = 500 J..
Według danych ΔV = 100 cm3 = 100 x 10-6 m3 Y 3 atm = 303975 Pa, A zatem:
W = P. ΔV = 303975 Pa x 100 x 10-6 m3 = 30,4 J.
LUB finał - LUB Inicjał = 30,4 J.
LUB finał = U Inicjał + 30,4 J = 500 J + 30,4 J = 530,4 J.
Jeszcze bez komentarzy