FØRSTE LOV OM TERMODYNAMIKK: FORMLER, LIGNINGER, EKSEMPLER - FYSISK - 2026

Den første loven om termodynamikk sier at enhver endring som opplever energien i et system kommer fra det mekaniske arbeidet som er utført, pluss varmen som utveksles med omgivelsene. Enten de er i ro eller i bevegelse, har objekter (systemer) forskjellige energier, som kan transformeres fra en klasse til en annen gjennom en slags prosess.

Hvis et system er i stillheten på laboratoriet og dets mekaniske energi er 0, har det fortsatt indre energi, på grunn av det faktum at partiklene som utgjør det kontinuerlig opplever tilfeldige bevegelser.

Figur 1. En forbrenningsmotor bruker termodynamikkens første lov for å produsere arbeid. Kilde: Pixabay.

De tilfeldige bevegelsene til partiklene, sammen med elektriske interaksjoner og i noen tilfeller kjernefysiske, utgjør systemets indre energi, og når det interagerer med omgivelsene, oppstår variasjoner i indre energi.

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 som er varmere opp varmen - en måte å overføre energi på - til den kaldeste, til begge temperaturene er like og når termisk likevekt.

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

- Legge til masse i systemet (masse tilsvarer energi).

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

- Positive Q og W (+), når systemet mottar varme og det arbeides med det (energi overføres).

- Negativ Q og W (-), hvis systemet gir opp varmen og utfører arbeid på miljøet (reduserer energi).

Formler og ligninger

Den første loven om termodynamikk er en annen måte å si at energi verken blir skapt eller ødelagt, men blir transformert fra en type til en annen. Dette vil ha produsert varme og arbeid, noe som kan brukes til god bruk. Matematisk uttrykkes det som følger:

ΔU = Q + W

Hvor:

- ΔU er endringen i energien til systemet gitt av: ΔU = Endelig energi - Startenergi = U _f - U _o

- Q er varmevekslingen mellom systemet og miljøet.

- W er arbeidet som er gjort på systemet.

I noen tekster blir den første loven om termodynamikk presentert slik:

ΔU = Q - W

Dette betyr ikke at de motsier hverandre eller at det er en feil. Dette er fordi W-arbeid ble definert som arbeid utført av systemet i stedet for å bruke arbeid utført på systemet, som i IUPAC-tilnærmingen.

Med dette kriteriet uttales termodynamikkens første lov på denne måten:

Begge kriteriene gir riktige resultater.

Viktige observasjoner om den første loven om termodynamikk

Både varme og arbeid er to måter å overføre energi mellom systemet og dets omgivelser. Alle involverte mengder har som en enhet i det internasjonale systemet joule eller joule, forkortet J.

Den første loven om termodynamikk gir informasjon om endringen i energi, ikke om de absolutte verdiene til den endelige eller innledende energien. Noen av dem kan til og med bli tatt som 0, fordi det som teller er forskjellen i verdier.

En annen viktig konklusjon er at hvert isolerte system har ΔU = 0, siden det ikke er i stand til å utveksle varme med omgivelsene, og ingen eksterne midler har lov til å jobbe med det, så energien forblir konstant. En termos for å holde kaffen varm er en rimelig tilnærming.

Så i et ikke-isolert system ΔU er alltid forskjellig fra 0? Ikke nødvendigvis, canU kan være 0 hvis dens variabler, som vanligvis er trykk, temperatur, volum og antall mol, gjennomgår en syklus hvor deres innledende og endelige verdier er de samme.

I Carnot-syklusen blir for eksempel all termisk energi konvertert til brukbart arbeid, siden den ikke tenker på friksjon eller viskositetstap.

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

- Den kinetiske energien til partiklene når de beveger seg, og den som kommer fra vibrasjonene og rotasjonene til atomer og molekyler.

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

- Interaksjoner som er typiske for atomkjernen, som inne i solen.

applikasjoner

Den første loven sier at det er mulig å produsere varme og arbeid ved å føre til at den indre energien i et system endres. En av de mest vellykkede bruksområdene er forbrenningsmotoren, der det tas et visst volum gass og utvidelsen brukes til å utføre arbeid. En annen kjent applikasjon er dampmotoren.

Motorer bruker vanligvis sykluser eller prosesser der systemet starter fra en begynnende likevektstilstand mot en annen slutttilstand, også av likevekt. Mange av dem foregår under forhold som letter beregningen av arbeid og varme fra den første loven.

Her er enkle maler som beskriver vanlige situasjoner i hverdagen. De mest illustrerende prosessene er adiabatiske, isokoriske, isotermiske, isobariske prosesser, lukkede veiprosesser og fri ekspansjon. I dem holdes en systemvariabel konstant, og følgelig tar den første loven en bestemt form.

Isokoriske prosesser

Det er de der volumet på systemet forblir konstant. Derfor blir det ikke gjort noe arbeid, og med W = 0 gjenstår det:

ΔU = Q

Isobariske prosesser

I disse prosessene forblir trykket konstant. Arbeidet som gjøres av systemet skyldes volumendringen.

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

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

Men produktet A. Δl er lik volumendringen ΔV, slik at arbeidet blir slik:

For en isobarisk prosess har den første loven formen:

ΔU = Q - p ΔV

Isotermiske prosesser

Det er de som finner sted ved en konstant temperatur. Dette kan skje ved å kontakte systemet med et eksternt termisk reservoar og føre til at varmevekslingen skjer veldig sakte, slik at temperaturen er konstant.

For eksempel kan varme strømme fra et varmt reservoar inn i systemet, slik at systemet kan utføre arbeid uten noen variasjon i ΔU. Så:

Q + W = 0

Adiabatiske prosesser

I den adiabatiske prosessen er det ingen overføring av termisk energi, derfor Q = 0 og den første loven reduseres til ΔU = W. Denne situasjonen kan oppstå i godt isolerte systemer og betyr at energiforandringen kommer fra arbeidet som har vært laget på den, i henhold til gjeldende skiltkonvensjon (IUPAC).

Man kan tro at siden det ikke er overføring av termisk energi, vil temperaturen forbli konstant, men dette er ikke alltid tilfelle. Overraskende resulterer kompresjonen av en isolert gass i en økning i temperaturen, mens temperaturen i adiabatisk ekspansjon synker.

Prosesser i lukket bane og fri ekspansjon

I en lukket bane-prosess går systemet tilbake til samme tilstand som det hadde i begynnelsen, uavhengig av hva som skjedde på mellompunktene. Disse prosessene ble nevnt før når vi snakket om ikke-isolerte systemer.

I dem er ΔU = 0 og derfor Q = W eller Q = -W avhengig av det valgte kriteriet.

Lukkede veiprosesser er veldig viktige fordi de danner grunnlaget for termiske motorer som dampmotoren.

Endelig er fri utvidelse en idealisering som foregår i en termisk isolert beholder som inneholder en gass. Beholderen har to rom adskilt med en skillevegg eller membran, og gassen er i et av dem.

Volumet på beholderen øker plutselig hvis membranen brister og gassen ekspanderer, men beholderen inneholder ikke et stempel eller andre gjenstander som kan beveges. Så gassen virker ikke mens den ekspanderer og W = 0. Fordi den er termisk isolert, er Q = 0, og det konkluderes med en gang at ΔU = 0.

Derfor forårsaker ikke fri ekspansjon endringer i gassenes energi, men paradoksalt nok er den ikke i likevekt mens den utvides.

eksempler

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

- Termiske maskiner utfører en syklus hvor de tar varme fra en termisk tank, og omdanner nesten alt til arbeid, etterlater en del for egen drift og overskuddsvarmen blir dumpet i en annen kaldere tank, som vanligvis er omgivende.

- Tilberedning av sauser i en avdekket gryte er et daglig eksempel på en isobarisk prosess, siden tilberedningen utføres ved atmosfæretrykk og volumet av saus avtar over tid når væsken fordamper.

- En ideell gass der en isotermisk prosess foregår, holder produktet av trykk og volum konstant: P. V = konstant.

- Metabolismen til varmblodige dyr gjør at de kan opprettholde en konstant temperatur og gjennomføre flere biologiske prosesser, på bekostning av energien i maten.

Figur 2. Idrettsutøvere, som termiske maskiner, bruker drivstoff til å utføre arbeid, og overskuddet går tapt gjennom svette. Kilde: Pixabay.

Løste øvelser

Oppgave 1

En gass komprimeres ved et konstant trykk på 0,800 atm, slik at volumet varierer fra 9,00 L til 2,00 L. I prosessen gir gassen opp 400 J energi gjennom varme. a) Finn arbeidet som er gjort på gassen, og b) beregn endringen i den indre energien.

Løsning på)

I den adiabatiske prosessen er det oppfylt at P _o = P _f , arbeidet som er gjort på gassen er W = P. ΔV, som forklart i de foregående seksjoner.

Følgende konverteringsfaktorer er påkrevd:

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

Å erstatte verdiene du får:

Løsning b)

Når systemet gir opp varmen, blir Q tildelt et tegn - derfor er den første loven for termodynamikk som følger:

ΔU = -400 J + 567,42 J = 167,42 J.

Oppgave 2

Det er kjent at den indre energi av en gass er 500 J, og når den komprimeres adiabatisk dens volum avtar ved 100 cm ³ . Hvis trykket som ble påført gassen under komprimering var 3,00 atm, beregne den indre energien til gassen etter adiabatisk kompresjon.

Løsning

Siden uttalelsen informerer om at komprimeringen er adiabatisk, er det riktig at Q = 0 og ΔU = W, så:

Med initial U = 500 J.

I følge dataene ΔV = 100 cm ³ = 100 x 10 ^-6 m ³ og 3 atm = 303975 Pa, derfor:

referanser

1. Bauer, W. 2011. Fysikk for ingeniørvitenskap og vitenskap. Bind 1. Mc Graw Hill.
2. Cengel, Y. 2012. Termodynamikk. 7 ^ma utgave. McGraw Hill.
3. Figueroa, D. (2005). Serie: Fysikk for vitenskap og ingeniørfag. Volum 4. Væsker og termodynamikk. Redigert av Douglas Figueroa (USB).
4. López, C. Den første loven om termodynamikk. Gjenopprettet fra: culturacientifica.com.
5. Knight, R. 2017. Physics for Scientists and Engineering: a Strategy Approach. Pearson.
6. Serway, R., Vulle, C. 2011. Fundamentals of Physics. 9 ^na Ed. Cengage Learning.
7. Sevilla University. Termiske maskiner. Gjenopprettet fra: laplace.us.es.
8. Wikiwand. Adiabatisk prosess. Gjenopprettet fra: wikiwand.com.