Første lov om termodynamikkformler, ligninger, eksempler

De Første lov om termodynamikk sier at enhver endring som oppleves av energien til et system kommer fra det mekaniske arbeidet som er utført, pluss varmen som er utvekslet med miljøet. Enten de er i ro eller beveger seg, har objekter (systemer) forskjellige energier, som kan transformeres fra en klasse til en annen gjennom en eller annen type prosess.

Hvis et system er i stillheten til laboratoriet og dets mekaniske energi er 0, har det fortsatt indre energi, fordi partiklene som komponerer det kontinuerlig opplever tilfeldige bevegelser.

Figur 1. En forbrenningsmotor benytter seg av den første loven om termodynamikk for å produsere arbeid. Kilde: Pixabay.

De tilfeldige bevegelsene til partiklene, sammen med de elektriske interaksjonene og i noen tilfeller kjernefysiske.

Det er flere måter å få disse endringene til å skje:

- Den første er at systemet utveksler varme med miljøet. Dette skjer når det er en temperaturforskjell mellom de to. Da gir den hotteste varmen - en måte å overføre energi på - til det kaldeste, inntil begge temperaturene er utjevnet, og når den termiske likevekten.

- Ved å utføre et verk, enten systemet utfører, eller at en ekstern agent gjør det på systemet.

- Legge masse til systemet (massen tilsvarer energi).

La deg den interne energien, balansen vil være ΔU = u Final - U Initial, så det er praktisk å tilordne tegn, som i henhold til IUPAC -kriterier (International Union of Pure and Applied Chemistry) er:

- Q og W positivt (+), når systemet mottar varme og arbeid utføres på det (energi overføres).

- Q og W negativt (-), hvis systemet gir varme og fungerer på miljøet (energi avtar).

[TOC]

Formler og ligninger

Den første loven om termodynamikk er en annen måte å bekrefte at energi ikke er skapt eller ødelagt, men at den blir transformert fra en type til en annen. Ved å gjøre dette vil varme og arbeid ha skjedd, som kan brukes. Matematisk uttrykker som følger:

ΔU = q + w

Hvor:

- ΔU er endringen i energien til systemet gitt av: ΔU = Final Energy - Initial Energy = U_F - ELLER_enten

- Q er utveksling av varme mellom systemet og miljøet.

- W er arbeidet som er gjort på systemet.

I noen tekster presenteres den første loven om termodynamikk slik:

ΔU = q - w

Dette betyr ikke at det er noen feil, eller at det er en feil. Det skyldes det faktum at W -arbeid ble definert som arbeidet som ble gjort av systemet i stedet for å bruke arbeidet utført på systemet, som i IUPAC -tilnærmingen.

Med dette kriteriet er den første loven om termodynamikk oppgitt på denne måten:

Når en mengde varme overføres til et legeme og dette igjen gjør noe arbeid, blir endringen i den indre energien gitt av ΔU = q - w.

Å være i samsvar med valg av tegn, og ta hensyn til det:

Kan tjene deg: hydraulisk presse

W _{Laget om systemet} = - w _{laget av systemet}

Begge kriteriene vil gi riktige resultater.

Viktige observasjoner om den første loven om termodynamikk

Både varme og arbeid er to måter å overføre energi på mellom systemet og dets miljø. Alle involverte beløp har som en enhet i det internasjonale systemet juli eller joule, forkortet j.

Den første loven om termodynamikk tilbyr informasjon om energiendring, ikke av de absolutte verdiene til den endelige eller innledende energien. Selv noen av dem kan tas som 0, fordi det som teller er forskjellen i verdier.

En annen viktig konklusjon er at hvert isolert system har ΔU = 0, siden det ikke er i stand til å utveksle varme med miljøet, og ingen eksternt middel får lov til å gjøre arbeid med det, da forblir energi konstant. En termos for å holde kaffe varm er en rimelig tilnærming.

Så i et FN -isolert ΔU -system er alltid forskjellig fra 0? Ikke nødvendigvis kan ΔU være 0 hvis variablene, som vanligvis er trykk, temperatur, volum og antall føflekker, passerer gjennom en syklus der deres opprinnelige og endelige verdier er de samme.

I Carnot -syklusen blir for eksempel all termisk energi brukbart arbeid, siden den ikke tenker på tap på grunn av friksjon eller viskositet.

Når det gjelder deg, den mystiske energien i systemet, inkluderer hun:

- Den kinetiske energien til partiklene når de beveger seg og den som kommer fra vibrasjoner og rotasjoner av atomer og molekyler.

- Potensiell energi på grunn av elektriske interaksjoner mellom atomer og molekyler.

- Interaksjoner mellom atomkjernen, som i solens indre.

applikasjoner

Den første loven slår fast at det er mulig å produsere varme og jobbe ved å gjøre den interne energien til et systemendring. En av de mest vellykkede bruksområdene er forbrenningsmotoren, der et visst volum av gass tas og utvidelsen av den brukes til å utføre en jobb. En annen kjent applikasjon er dampmotoren.

Motorer bruker vanligvis syklusene eller prosessene der systemet starter fra en innledende balanse mellom likevekt til en annen endelig tilstand, også av likevekt. Mange av dem finner sted under forhold som letter beregningen av arbeid og varme fra den første loven.

Deretter presenterer vi enkle modeller som beskriver hyppige og hverdagssituasjoner. De mest illustrerende prosessene er de adiabatiske, isokoriske, isotermiske, isotermiske prosessene, lukkede baneprosesser og fri utvidelse. I dem er en systemvariabel konstant, og følgelig vedtar den første loven en bestemt form.

Isokoriske prosesser

Er de der volumet av systemet forblir konstant. Derfor blir arbeid ikke utført, og å være W = 0 gjenstår:

ΔU = q

Isobárico -prosesser

I disse prosessene forblir trykket konstant. Arbeidet utført av systemet skyldes volumendring.

Kan tjene deg: motstandstermometer: egenskaper, drift, bruk

Anta at en begrenset gass i en beholder. Siden arbeid W er definert som:

W = kraft x forskyvning = f.ΔL (gyldig for konstant kraft parallelt med forskyvning).

Og i sin tur er trykket:

P = f /a ⇒ f = p.TIL

Ved å erstatte denne kraften i uttrykk for arbeid, resulterer det:

W = s. TIL. ΔL

Men produktet TIL. ΔL Det tilsvarer endringen i volum ΔV, og etterlater arbeidet slik:

W = p ΔV.

For en isobarisk prosess vedtar den første loven skjemaet:

ΔU = Q - P ΔV

Isotermiske prosesser

Det er de som passerer ved konstant temperatur. Dette kan skje ved å sette systemet med en ekstern termisk tank og gjøre varmeutveksling utført veldig sakte, slik at temperaturen er konstant.

For eksempel kan varme strømme fra en varm tank til systemet, slik at systemet kan gjøre arbeid, uten variasjon i ΔU. Så:

Q + W = 0

Adiabatiske prosesser

I den adiabatiske prosessen er det ingen termisk energioverføring, derfor q = 0 og den første loven reduseres til ΔU = w. Denne situasjonen kan gis i godt isolerte systemer og betyr at endringen i energi kommer fra arbeidet som er gjort på den, i henhold til gjeldende tegnkonvensjon (IUPAC).

Det kan antas at siden det ikke er noen termisk energioverføring, vil temperaturen forbli konstant, men det er ikke alltid slik. Overraskende nok resulterer komprimeringen av en isolert gass i en økning i temperaturen, mens temperaturen i den adiabatiske ekspansjonen synker.

Lukkede baneprosesser og gratis utvidelse

I en Lukket baneprosess, Systemet går tilbake til samme tilstand det hadde i begynnelsen, uavhengig av hva som skjedde på mellompunktene. Disse prosessene ble nevnt ovenfor når de snakket om ikke -isolerte systemer.

I dem ΔU = 0 og derfor q = w eller q = -w i henhold til kriteriet av tegn som er vedtatt.

Lukkede baneprosesser er veldig viktige fordi de utgjør grunnlaget for termiske maskiner som dampmaskin.

Til slutt Gratis utvidelse Det er en idealisering som utføres i en termisk isolert beholder som inneholder en gass. Beholderen har to rom atskilt med en partisjon eller membran, og gassen er i en av dem.

Containerens volum øker plutselig hvis membranen er ødelagt og gassen utvides, men beholderen ikke inneholder et stempel eller noe annet objekt som skal beveges. Da fungerer ikke gassen mens han utvides og w = 0. For å være termisk isolert q = 0 og umiddelbart konkluderes det med at ΔU = 0.

Derfor forårsaker ikke fri utvidelse endringer i gassenergi, men paradoksalt nok mens utvidelsen er ikke i balanse.

Eksempler

- En typisk isokorisk prosess er oppvarming av en gass i en hermetikk og stiv beholder, for eksempel en trykkpotte uten eksosventil. På denne måten forblir volumet konstant, og hvis vi setter en slik beholder i kontakt med andre kropper, endres den indre energien til gassen bare takket være varmeoverføringen på grunn av denne kontakten.

Kan tjene deg: avsagt varme: Formler, hvordan du beregner det og løste øvelser

- De termiske maskinene utfører en syklus der de tar varme fra en termisk avsetning, gjør nesten alt i arbeid, og etterlater en del for sin egen drift og overflødig varme skjenker den i en annen kaldere tank, som vanligvis er miljøet.

- Å tilberede sauser i en avdekket pot.

- En ideell gass der en isotermisk prosess finner sted opprettholder produktet av trykket etter volumkonstant: P. V = konstant.

- Hot -blodige dyr Metabolisme lar dem opprettholde en konstant temperatur og utføre flere biologiske prosesser, på bekostning av energien som finnes i mat.

Figur 2. Idrettsutøvere, som termiske maskiner, bruker drivstoff for å gjøre arbeid og overflødig går tapt gjennom svette. Kilde: Pixabay.

Løste øvelser

Oppgave 1

En gass komprimeres med et konstant trykk på 0.800 atm, slik at volumet varierer fra 9.00 l a 2.00 l. I prosessen gir gassen 400 j varmeenergi. a) Finn arbeidet utført på gass og b) Beregn endringen i dens indre energi.

Løsning på)

I den adiabatiske prosessen er det oppfylt det P_enten = S_F, Arbeidet som er gjort på gassen er W = s. ΔV, Som forklart i de foregående seksjonene.

Følgende konverteringsfaktorer er påkrevd:

1 atm = 101.325 kPa = 101.325 PA.

1 l = 0.001 m³

Derfor: 0.8 atm = 81.060 PA og ΔV = 9 - 2 l = 7 l = 0.007 m³

Erstatning av verdiene oppnås:

W = 81060 pa x 0.007 m³ = 567.42 J

Løsning B)

Når systemet gir varme, til Q Det er tildelt tegn -Derfor blir den første loven om termodynamikk forblir på denne måten:

ΔU = -400 J + 567.42 J = 167.42 J.

Oppgave 2

Det er kjent at den indre energien til en gass er 500 J, og når volumet er adiabatisk komprimert i 100 cm³. Hvis det påførte trykket på gassen under komprimeringen var 3.00 atm, beregne den indre energien av gass etter adiabatisk komprimering.

Løsning

Siden uttalelsen informerer om at komprimering er adiabatisk, blir den oppfylt det Q = 0 og ΔU = w, så:

ΔU = w = u _endelig - ELLER _første

Med u initial = 500 j.

I følge dataene ΔV = 100 cm³ = 100 x 10^-6 m³ og 3 atm = 303975 PA, derfor:

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

ELLER _endelig - ELLER _første = 30.4 J

ELLER _endelig = U _første + 30.4 J = 500 J + 30.4 J = 530.4 J.

Referanser

1. Bauer, w. 2011. Fysikk for ingeniørfag og vitenskap. Volum 1. Mc Graw Hill.
2. Cengel, og. 2012. Termodynamikk. 7^ma Utgave. McGraw Hill.
3. Figueroa, d. (2005). Serier: Fysikk for vitenskap og ingeniørfag. Volum 4. Væsker og termodynamikk. Redigert av Douglas Figueroa (USB).
4. López, ca. Den første loven om termodynamikk. Gjenopprettet fra: Culturacientifica.com.
5. Knight, r. 2017. Fysikk for forskere og ingeniørfag: En strategitilnærming. Pearson.
6. Serway, r., Vulle, c. 2011. Fundamentals of Physics. 9^na Ed. Cengage Learning.
7. Sevilla University. Termiske maskiner. Gjenopprettet fra: Laplace.oss.er.
8. Wikiwand. Adiabatisk prosess. Gjenopprettet fra: wikiwand.com.