PIRMASIS TERMODINAMIKOS DĖSNIS: FORMULĖS, LYGTYS, PAVYZDŽIAI - FIZINIS - 2025

Pirmasis termodinamikos dėsnis teigiama, kad bet kokie pokyčiai patyrė dėl sistemos energijos gaunama iš mechaninio darbu, plius šiluma keičiamasi su aplinka. Nesvarbu, ar jie yra ramybėje, ar juda, objektai (sistemos) turi skirtingas energijas, kurios gali būti transformuojamos iš vienos klasės į kitą tam tikru būdu.

Jei sistema yra nejudančioje laboratorijoje, o jos mechaninė energija lygi 0, ji vis tiek turi vidinę energiją dėl to, kad ją sudarančios dalelės nuolat patiria atsitiktinius judesius.

1 pav. Vidaus degimo variklis darbui naudoja pirmąjį termodinamikos dėsnį. Šaltinis: „Pixabay“.

Atsitiktiniai dalelių judesiai, taip pat elektrinė sąveika, o kai kuriais atvejais ir branduoliniai, sudaro sistemos vidinę energiją, o kai ji sąveikauja su aplinka, atsiranda vidinės energijos variacijų.

Yra keletas būdų, kaip šiuos pokyčius įvykdyti:

- Pirma, sistema keičia šilumą su aplinka. Tai įvyksta, kai skiriasi šių dviejų temperatūrų skirtumai. Tada tas, kuris yra karštesnis, atiduoda šilumą - būdas perduoti energiją į šalčiausią, kol abi temperatūros yra vienodos ir pasiekia šiluminę pusiausvyrą.

- Atlikdamas darbą, nepriklausomai nuo to, ar sistema jį atlieka, ar išorės agentas tai daro sistemoje.

- masės pridėjimas prie sistemos (masė lygi energijai).

Tegul U yra vidinė energija, likutis bus ΔU = galutinis U - pradinis U, todėl patogu skirti ženklus, kurie pagal IUPAC (Tarptautinė grynos ir taikomosios chemijos sąjunga) kriterijus yra:

- Teigiami Q ir W (+), kai sistema gauna šilumą ir joje dirbama (energija perduodama).

- Neigiami Q ir W (-), jei sistema atiduoda šilumą ir dirba su aplinka (sumažina energiją).

Formulės ir lygtys

Pirmasis termodinamikos dėsnis yra dar vienas būdas teigti, kad energija nėra nei kuriama, nei sunaikinama, o keičiama iš vieno tipo į kitą. Tai darant bus šiluma ir darbas, kurį bus galima gerai panaudoti. Matematiškai jis išreiškiamas taip:

ΔU = Q + W

Kur:

- ΔU yra sistemos energijos pokytis, kurį sudaro: ΔU = galutinė energija - pradinė energija = U _f - U _o

- Q yra šilumos mainai tarp sistemos ir aplinkos.

- W yra sistemos darbas.

Kai kuriuose tekstuose pirmasis termodinamikos dėsnis pateiktas taip:

ΔU = Q - W

Tai nereiškia, kad jie prieštarauja vienas kitam ar kad yra klaida. Taip yra todėl, kad W darbas buvo apibrėžtas kaip sistemos atliktas darbas, o ne naudojant sistemoje atliktą darbą, kaip IUPAC metodu.

Taikant šį kriterijų, pirmasis termodinamikos dėsnis išdėstomas taip:

Abu kriterijai duos teisingus rezultatus.

Svarbūs pastebėjimai apie pirmąjį termodinamikos dėsnį

Šiluma ir darbas yra du energijos perdavimo iš sistemos į aplinką būdai. Visi susiję kiekiai vienoje tarptautinėje sistemoje turi džaulį arba džaulį, sutrumpintai J.

Pirmasis termodinamikos dėsnis pateikia informaciją apie energijos pokyčius, o ne apie absoliučias galutinės ar pradinės energijos vertes. Kai kuriuos iš jų netgi būtų galima laikyti 0, nes svarbiausias yra reikšmių skirtumas.

Kita svarbi išvada yra ta, kad kiekvienoje izoliuotoje sistemoje yra ΔU = 0, nes ji negali keistis šiluma su aplinka ir jokiems išoriniams agentams neleidžiama dirbti su ja, todėl energija išlieka pastovi. Termosas, skirtas išlaikyti jūsų kavą šiltą, yra pagrįstas derinimas.

Taigi neizoliuotoje sistemoje ΔU visada skiriasi nuo 0? Nebūtinai ΔU gali būti 0, jei jo kintamieji, kurie paprastai yra slėgis, temperatūra, tūris ir molių skaičius, eina per ciklą, kurio pradinės ir galutinės vertės yra vienodos.

Pvz., Carnot cikle visa šiluminė energija paverčiama tinkamu darbu, nes joje nėra numatomi trinties ar klampumo nuostoliai.

Kalbant apie paslaptingąją sistemos energiją U, ji apima:

- Dalelių kinetinė energija judant, ir ta, kuri gaunama iš atomų ir molekulių virpesių ir sukimosi.

- potenciali energija, atsirandanti dėl elektrinės atomų ir molekulių sąveikos.

- Atominiam branduoliui būdingos sąveikos, kaip ir saulės viduje.

Programos

Pirmasis įstatymas teigia, kad šilumą ir darbą galima gaminti keičiant sistemos vidinę energiją. Viena iš sėkmingiausių programų yra vidaus degimo variklis, kuriame imamas tam tikras dujų kiekis ir jo plėtimas naudojamas darbui atlikti. Kita gerai žinoma programa yra garo variklis.

Varikliai paprastai naudoja ciklus ar procesus, kai sistema prasideda nuo pradinės pusiausvyros būsenos iki kitos galutinės būsenos, taip pat ir pusiausvyros. Daugelis jų vyksta tokiomis sąlygomis, kurios palengvina darbo ir šilumos apskaičiavimą pagal pirmąjį įstatymą.

Čia yra paprasti šablonai, apibūdinantys įprastas, kasdienes situacijas. Labiausiai iliustruojami procesai yra adiabatiniai, izochoriniai, izoterminiai, izobariniai, uždaro proceso ir laisvojo plėtimosi procesai. Juose sisteminis kintamasis yra pastovus, todėl pirmasis dėsnis įgauna tam tikrą formą.

Izochoriniai procesai

Tai yra tie, kuriuose sistemos tūris išlieka pastovus. Todėl joks darbas neatliekamas, o kai W = 0, jis išlieka:

ΔU = Q

Izobariniai procesai

Šiuose procesuose slėgis išlieka pastovus. Sistemos atliekamas darbas vyksta dėl apimties pokyčių.

Tarkime, kad talpykloje yra dujų. Kadangi W darbas yra apibrėžiamas kaip:

Pakeitus šią jėgą darbo išraiška, gaunami:

Bet sandauga A. Δl yra lygi tūrio pokyčiui ΔV, paliekant tokį darbą:

Izobariniam procesui pirmasis dėsnis yra toks:

ΔU = Q - p ΔV

Izoterminiai procesai

Tai yra tie, kurie vyksta esant pastoviai temperatūrai. Tai gali įvykti, kai sistema liečiasi su išoriniu šiluminiu rezervuaru ir šilumos mainai vyksta labai lėtai, kad temperatūra būtų pastovi.

Pvz., Šiluma iš karšto rezervuaro gali tekėti į sistemą, leisdama sistemai dirbti, nekeisdama ΔU. Taigi:

Q + W = 0

Adiabatiniai procesai

Adiabatiniame procese šiluminė energija neperduodama, todėl Q = 0 ir pirmasis dėsnis sumažėja iki ΔU = W. Ši situacija gali atsirasti gerai izoliuotose sistemose ir reiškia, kad energijos pokytis atsiranda atlikus darbą. pagamintas ant jo, remiantis galiojančia ženklų konvencija (IUPAC).

Galima manyti, kad kadangi šiluminė energija neperduodama, temperatūra išliks pastovi, tačiau taip yra ne visada. Keista, kad išspaustų dujų suspaudimas lemia jų temperatūros padidėjimą, o adiabatinio išsiplėtimo metu temperatūra sumažėja.

Procesai uždaru keliu ir laisva plėtra

Uždaro proceso metu sistema grįžta į tą pačią būseną, kurią turėjo pradžioje, nepriklausomai nuo to, kas nutiko tarpiniuose taškuose. Šie procesai buvo paminėti anksčiau, kai buvo kalbama apie neizoliuotas sistemas.

Juose ΔU = 0 ir todėl Q = W arba Q = -W priklausomai nuo pasirinkto ženklo kriterijaus.

Uždaro kelio procesai yra labai svarbūs, nes jie sudaro šiluminių variklių, tokių kaip garo variklis, pagrindą.

Galiausiai laisvas išsiplėtimas yra idealizavimas, vykstantis termiškai izoliuotame inde, kuriame yra dujos. Talpykloje yra du skyriai, atskirti pertvara arba membrana, ir dujos yra viename iš jų.

Talpyklos tūris staigiai padidėja, jei membrana plyšta ir dujos išsiplečia, tačiau talpykloje nėra stūmoklio ar jokio kito judančio objekto. Taigi dujos neveikia, kol jos plečiasi ir W = 0. Kadangi jos yra termiškai izoliuotos, Q = 0 ir iš karto daroma išvada, kad ΔU = 0.

Todėl laisvas išsiplėtimas nesukelia dujų energijos pokyčių, tačiau paradoksalu, tačiau plečiantis jis nėra pusiausvyroje.

Pavyzdžiai

- Įprastas izochorinis procesas yra dujų kaitinimas hermetiškame ir standžiame inde, pavyzdžiui, slėginėje viryklėje be išmetimo vožtuvo. Tokiu būdu tūris išlieka pastovus ir, jei tokį indą liečiame liečiant su kitais kūnais, vidinė dujų energija keičiasi tik dėl šio kontakto šilumos perdavimo.

- Šiluminės mašinos vykdo ciklą, kurio metu šiluma paimama iš terminio rezervuaro ir beveik viską paverčia darbu, paliekant dalį savo reikmėms, o perteklinė šiluma išleidžiama į kitą šaltesnį baką, kuris paprastai yra aplinkos.

- Padažų ruošimas neuždengtame puode yra kasdienis izobarinio proceso pavyzdys, nes virimas atliekamas esant atmosferos slėgiui, o padažo tūris laikui bėgant mažėja, nes skystis išgaruoja.

- Idealios dujos, kuriose vyksta izoterminis procesas, palaiko pastovų slėgio ir tūrio koeficientą: P. V = pastovus.

- Šiltakraujų gyvūnų medžiagų apykaita leidžia jiems palaikyti pastovią temperatūrą ir atlikti įvairius biologinius procesus, maistui naudojamos energijos sąskaita.

2 pav. Sportininkai, kaip ir šiluminės mašinos, darbui naudoja kurą, o perteklius prarandamas prakaito dėka. Šaltinis: „Pixabay“.

Išspręsta mankšta

1 pratimas

Dujos suspaudžiamos esant pastoviam 0,800 atm slėgiui, kad jų tūris kistų nuo 9,00 L iki 2,00 L. Proceso metu dujos per šilumą atiduoda 400 J energijos. a) Raskite atliktą darbą prie dujų ir b) apskaičiuokite jo vidinės energijos pokytį.

Sprendimas)

Adiabatiniame procese išsiaiškinta, kad P _o = P _f , darbas su dujomis yra W = P. ΔV, kaip paaiškinta ankstesniuose skyriuose.

Reikalingi šie perskaičiavimo koeficientai:

Todėl: 0,8 atm = 81,060 Pa ir Δ V = 9 - 2 L = 7 L = 0,007 m ³

Gautų verčių pakeitimas:

Sprendimas b)

Kai sistema atiduoda šilumą, Q priskiriamas ženklas, todėl pirmasis termodinamikos dėsnis yra toks:

ΔU = -400 J + 567,42 J = 167,42 J.

2 pratimas

Yra žinoma, kad vidinė dujų energija yra 500 J, o adiabatiškai suspaudus, jų tūris sumažėja 100 cm ³ . Jei suspaudžiant dujas slėgis buvo 3,00 atm, apskaičiuokite vidinę dujų energiją po adiabatinio suspaudimo.

Sprendimas

Kadangi teiginyje nurodoma, kad glaudinimas yra adiabatinis, tiesa, kad Q = 0 ir ΔU = W, tada:

Kai pradinis U = 500 J.

Remiantis duomenimis ΔV = 100 cm ³ = 100 x 10 ^-6 m ³ ir 3 atm = 303975 Pa, todėl:

Nuorodos

1. Bauer, W. 2011. Fizika inžinerijai ir mokslams. 1 tomas. Mc Graw Hill.
2. Cengel, Y. 2012. Termodinamika. 7 ^ma leidimas. McGraw Hill.
3. Figueroa, D. (2005). Serija: Fizika mokslui ir inžinerijai. Skyrius 4. Skysčiai ir termodinamika. Redagavo Douglas Figueroa (USB).
4. López, C. Pirmasis termodinamikos dėsnis. Atgauta iš: culturac Scientifica.com.
5. Knight, R. 2017. Fizika mokslininkams ir inžinerijai: strategijos metodas. Pearsonas.
6. Serway, R., Vulle, C. 2011. Fizikos pagrindai. 9 ^na Ed. Cengage mokymosi.
7. Sevilijos universitetas. Šiluminės mašinos. Atkurta iš: laplace.us.es.
8. „Wikiwand“. Adiabatinis procesas. Atkurta iš: wikiwand.com.