ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ: ФОРМУЛЫ, УРАВНЕНИЯ, ПРИМЕРЫ - ФИЗИЧЕСКИЙ - 2025

Первый закон термодинамики гласит , что любое изменение переживается энергии системы происходит от механической работы , проделанной, плюс теплообмену с окружающей средой. В состоянии покоя или в движении объекты (системы) обладают разной энергией, которая может быть преобразована из одного класса в другой посредством определенного процесса.

Если система находится в неподвижности лаборатории и ее механическая энергия равна 0, она все еще имеет внутреннюю энергию из-за того, что частицы, составляющие ее, постоянно испытывают случайные движения.

Рисунок 1. Двигатель внутреннего сгорания использует первый закон термодинамики для создания работы. Источник: Pixabay.

Случайные движения частиц вместе с электрическими взаимодействиями, а в некоторых случаях и ядерными, составляют внутреннюю энергию системы, и когда она взаимодействует с окружающей средой, возникают вариации внутренней энергии.

Есть несколько способов внести эти изменения:

- Во-первых, система обменивается теплом с окружающей средой. Это происходит, когда между ними существует разница в температуре. Затем тот, который более горячий, отдает тепло - способ передачи энергии - самому холодному, пока обе температуры не станут равными, достигая теплового равновесия.

- Выполняя задание, независимо от того, выполняет ли его система, или внешний агент выполняет это в системе.

- Добавление массы в систему (масса равна энергии).

Пусть U - внутренняя энергия, баланс будет ΔU = final U - начальный U, поэтому удобно назначить знаки, которые согласно критериям IUPAC (Международный союз чистой и прикладной химии):

- Положительные Q и W (+), когда система получает тепло и над ним выполняется работа (передается энергия).

- Отрицательные значения Q и W (-), если система отдает тепло и выполняет работу с окружающей средой (снижает энергию).

Формулы и уравнения

Первый закон термодинамики - это еще один способ заявить, что энергия не создается и не разрушается, а преобразуется из одного типа в другой. Это приведет к выделению тепла и работы, которые можно найти с пользой. Математически это выражается следующим образом:

ΔU = Q + W

Куда:

- ΔU - изменение энергии системы, определяемое по формуле: ΔU = конечная энергия - начальная энергия = U _f - U _o

- Q - теплообмен между системой и окружающей средой.

- W - работа, проделанная в системе.

В некоторых текстах первый закон термодинамики представлен так:

ΔU = Q - W

Это не означает, что они противоречат друг другу или что есть ошибка. Это связано с тем, что работа W была определена как работа, выполняемая системой, а не как работа, выполненная в системе, как в подходе IUPAC.

С помощью этого критерия первый закон термодинамики формулируется следующим образом:

Оба критерия дадут правильные результаты.

Важные замечания о первом законе термодинамики

И тепло, и работа - это два способа передачи энергии между системой и ее окружением. Все задействованные величины имеют в Международной системе единицу измерения джоуль или джоуль, сокращенно J.

Первый закон термодинамики дает информацию об изменении энергии, а не об абсолютных значениях конечной или начальной энергии. Некоторые из них можно даже принять за 0, потому что важна разница в значениях.

Другой важный вывод состоит в том, что каждая изолированная система имеет ΔU = 0, поскольку она не может обмениваться теплом с окружающей средой, и никакие внешние агенты не могут работать с ней, поэтому энергия остается постоянной. Разумным приближением является термос, чтобы согреть кофе.

Значит, в неизолированной системе ΔU всегда отлично от 0? Необязательно, ΔU может быть 0, если его переменные, которыми обычно являются давление, температура, объем и число молей, проходят цикл, в котором их начальные и конечные значения совпадают.

Например, в цикле Карно вся тепловая энергия преобразуется в полезную работу, поскольку он не предполагает потерь на трение или вязкость.

Что касается U, таинственной энергии системы, она включает:

- Кинетическая энергия частиц при их движении и энергия, возникающая в результате колебаний и вращений атомов и молекул.

- Потенциальная энергия из-за электрических взаимодействий между атомами и молекулами.

- Взаимодействия типичные для атомного ядра, как внутри Солнца.

Приложения

Первый закон гласит, что можно производить тепло и работать, изменяя внутреннюю энергию системы. Одно из наиболее успешных применений - двигатель внутреннего сгорания, в котором отбирается определенный объем газа и его расширение используется для выполнения работы. Еще одно известное применение - паровой двигатель.

Двигатели обычно используют циклы или процессы, в которых система начинается от начального состояния равновесия к другому конечному состоянию, также равновесному. Многие из них происходят в условиях, облегчающих расчет работы и тепла из первого закона.

Вот простые шаблоны, описывающие обычные повседневные ситуации. Наиболее показательными процессами являются адиабатические, изохорные, изотермические, изобарические процессы, процессы замкнутого пути и свободное расширение. В них системная переменная остается постоянной, и, следовательно, первый закон принимает определенную форму.

Изохорические процессы

Это те, в которых объем системы остается постоянным. Следовательно, работы не производятся и при W = 0 остается:

ΔU = Q

Изобарические процессы

В этих процессах давление остается постоянным. Работа, проделанная системой, связана с изменением объема.

Предположим, газ находится в контейнере. Поскольку работа W определяется как:

Подставляя эту силу в выражение работы, получается:

Но произведение A. Δl равно изменению объема ΔV, в результате чего работа выглядит так:

Для изобарического процесса первый закон принимает форму:

ΔU = Q - p ΔV

Изотермические процессы

Это те, которые происходят при постоянной температуре. Это может происходить путем соприкосновения системы с внешним тепловым резервуаром и очень медленного теплообмена, так что температура остается постоянной.

Например, тепло может поступать из горячего резервуара в систему, позволяя системе выполнять работу без изменения ΔU. Так:

Q + W = 0

Адиабатические процессы

В адиабатическом процессе нет передачи тепловой энергии, поэтому Q = 0, и первый закон сводится к ΔU = W. Такая ситуация может иметь место в хорошо изолированных системах и означает, что изменение энергии происходит из-за работы, которая была выполнена. сделано на нем в соответствии с действующей конвенцией о знаках (IUPAC).

Можно подумать, что из-за отсутствия передачи тепловой энергии температура останется постоянной, но это не всегда так. Удивительно, но сжатие изолированного газа приводит к повышению его температуры, тогда как при адиабатическом расширении температура понижается.

Процессы по замкнутому пути и свободному расширению

В процессе замкнутого пути система возвращается в то же состояние, которое было в начале, независимо от того, что произошло в промежуточных точках. Эти процессы уже упоминались ранее, когда говорили о неизолированных системах.

В них ΔU = 0 и, следовательно, Q = W или Q = -W в зависимости от принятого критерия знака.

Процессы с замкнутым контуром очень важны, потому что они составляют основу тепловых двигателей, таких как паровой двигатель.

Наконец, свободное расширение - это идеализация, которая имеет место в теплоизолированном контейнере, содержащем газ. Контейнер имеет два отсека, разделенных перегородкой или мембраной, в одном из которых находится газ.

Объем контейнера внезапно увеличивается, если мембрана разрывается и газ расширяется, но контейнер не содержит поршня или какого-либо другого объекта, который можно было бы перемещать. Таким образом, газ не работает, пока он расширяется и W = 0. Поскольку он теплоизолирован, Q = 0, и сразу же делается вывод, что ΔU = 0.

Следовательно, свободное расширение не вызывает изменения энергии газа, но, как это ни парадоксально, при расширении оно не находится в равновесии.

Примеры

- Типичный изохорный процесс - нагревание газа в герметичном и жестком контейнере, например в скороварке без выпускного клапана. Таким образом, объем остается постоянным, и если мы поместим такой контейнер в контакт с другими телами, внутренняя энергия газа изменится только благодаря теплопередаче за счет этого контакта.

- Тепловые машины выполняют цикл, в котором они отбирают тепло от теплового резервуара, превращая почти все в работу, оставляя часть для своей собственной работы, а избыточное тепло сбрасывается в другой более холодный резервуар, который обычно является окружающий.

- Приготовление соусов в открытой кастрюле - это повседневный пример изобарического процесса, поскольку приготовление осуществляется при атмосферном давлении, а объем соуса со временем уменьшается по мере испарения жидкости.

- Идеальный газ, в котором происходит изотермический процесс, сохраняет произведение давления и объема постоянным: P. V = постоянным.

- Обмен веществ у теплокровных животных позволяет им поддерживать постоянную температуру и выполнять множество биологических процессов за счет энергии, содержащейся в пище.

Рисунок 2. Спортсмены, как и тепловые машины, используют топливо для работы, и его избыток уходит с потом. Источник: Pixabay.

Решенные упражнения

Упражнение 1

Газ сжимается при постоянном давлении 0,800 атм, так что его объем изменяется от 9,00 л до 2,00 л. При этом газ отдает 400 Дж энергии за счет тепла. а) Найдите работу, проделанную с газом, и б) вычислите изменение его внутренней энергии.

Решение для)

В адиабатическом процессе выполняется P _o = P _f , работа над газом W = P. ΔV, как объяснено в предыдущих разделах.

Требуются следующие коэффициенты пересчета:

Следовательно: 0,8 атм = 81,060 Па и Δ V = 9 - 2 L = 7 L = 0,007 м ³

Подставляя значения, вы получаете:

Решение б)

Когда система отдает тепло, Q присваивается знак -, поэтому первый закон термодинамики выглядит следующим образом:

ΔU = -400 Дж + 567,42 Дж = 167,42 Дж.

Упражнение 2.

Известно, что внутренняя энергия газа составляет 500 Дж, а при адиабатическом сжатии его объем уменьшается на 100 см ³ . Если давление, приложенное к газу во время сжатия, составляло 3,00 атм, рассчитайте внутреннюю энергию газа после адиабатического сжатия.

Решение

Поскольку утверждение сообщает, что сжатие является адиабатическим, верно, что Q = 0 и ΔU = W, тогда:

При исходном U = 500 Дж.

По данным ΔV = 100 см ³ = 100 x 10 ^-6 м ³ и 3 атм = 303975 Па, следовательно:

Ссылки

1. Бауэр, В. 2011. Физика для инженерии и науки. Том 1. Мак Гроу Хилл.
2. Ценгель, Ю. 2012. Термодинамика. Издание 7 ^ma . Макгроу Хилл.
3. Фигероа, Д. (2005). Серия: Физика для науки и техники. Том 4. Жидкости и термодинамика. Отредактировал Дуглас Фигероа (USB).
4. Лопес, К. Первый закон термодинамики. Получено с: culturacientifica.com.
5. Найт, р. 2017. Физика для ученых и инженерии: стратегический подход. Пирсон.
6. Serway, R., Vulle, C. 2011. Основы физики. 9 ^на ред. Cengage обучения.
7. Севильский университет. Тепловые машины. Получено с: laplace.us.es.
8. Википедия. Адиабатический процесс. Получено с: wikiwand.com.