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 utveksles med miljøet. Enten de er i ro eller i bevegelse, har objekter (systemer) forskjellige energier, som kan transformeres fra en klasse til en annen gjennom noen form for prosess..
Hvis et system er i stillheten til laboratoriet og dets mekaniske energi er 0, har det fortsatt intern energi på grunn av at partiklene som komponerer det kontinuerlig opplever tilfeldige bevegelser.
Partiklernes tilfeldige bevegelser, sammen med de elektriske interaksjonene og i noen tilfeller de kjernefysiske, utgjør systemets indre energi, og når det samhandler med omgivelsene, oppstår variasjoner i den indre energien..
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 forskjell i temperatur mellom de to. Så gir den som er varmere opp varmen - en måte å overføre energi 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 indre energien, saldoen ville være ΔU = endelig U - innledende U, så det er praktisk å tildele tegn, som i henhold til IUPAC-kriteriet (International Union of Pure and Applied Chemistry) De er:
- Positive Q og W (+) når systemet mottar varme og arbeidet er gjort over det (energi overføres).
- Negative Q og W (-), hvis systemet gir fra seg varme og fungerer på miljøet (energi avtar).
Artikkelindeks
Den første loven om termodynamikk er en annen måte å si at energi verken er skapt eller ødelagt, men transformeres fra en type til en annen. Dette vil ha produsert varme og arbeid som kan brukes godt. Matematisk uttrykkes det som følger:
ΔU = Q + W
Hvor:
- ΔU er endringen i energien i systemet gitt av: ΔU = Endelig energi - Initial energi = UF - ELLEReller
- Q er varmevekslingen mellom systemet og miljøet.
- W er arbeid utført på systemet.
I noen tekster presenteres termodynamikkens første lov slik:
ΔU = Q - W
Dette betyr ikke at de motsier hverandre eller at det er en feil. Dette er fordi arbeid W ble definert som arbeid utført av systemet i stedet for å bruke arbeid utført på systemet, som i IUPAC-tilnærmingen.
Med dette kriteriet blir termodynamikkens første lov angitt på denne måten:
Når overføres en mengde varme Q til kroppen og dette igjen utføre bestemt arbeid W, endringen i dens indre energi er gitt av ΔU = Q - W.
Å være konsistent med valg av tegn, og ta hensyn til at:
W utført på systemet = - W utført av systemet
Begge kriteriene vil gi riktige resultater.
Både varme og arbeid er to måter å overføre energi mellom systemet og omgivelsene på. Alle involverte mengder har som enhet i det internasjonale systemet joule eller joule, forkortet J.
Den første loven om termodynamikk gir informasjon om endringen i energi, ikke de absolutte verdiene til den endelige eller første energien. Selv noen av dem kan tas 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 får jobbe med det, så energien forblir konstant. En termos for å holde kaffen varm er en rimelig tilnærming.
Så i et ikke-isolert system er ΔU alltid forskjellig fra 0? Ikke nødvendigvis kan ΔU være 0 hvis variablene, som vanligvis er trykk, temperatur, volum og antall mol, går gjennom en syklus der deres innledende og endelige verdier er de samme.
I Carnot-syklusen blir for eksempel all termisk energi omgjort til brukbart arbeid, siden den ikke tenker på tap på grunn av friksjon eller viskositet..
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 vibrasjoner og rotasjoner av atomer og molekyler.
- Potensiell energi på grunn av elektriske interaksjoner mellom atomer og molekyler.
- Interaksjoner mellom atomkjernen, som inne i solen.
Den første loven sier at det er mulig å produsere varme og arbeide ved å få den indre energien til et system til å endres. En av de mest vellykkede applikasjonene 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 innledende tilstand av likevekt 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, hverdagslige situasjoner. De mest illustrative 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.
Det er de volumene i systemet forblir konstant. Derfor er ikke noe arbeid gjort, og med W = 0 gjenstår det:
ΔU = Q
I disse prosessene forblir trykket konstant. Arbeidet som gjøres av systemet skyldes volumendring.
Anta at gass er innelukket i en container. Siden arbeid W er definert som:
W = Kraft x forskyvning = F.Δl (gyldig for en konstant kraft parallell med forskyvningen).
Og i sin tur er trykket:
p = F / A ⇒ F = p.A
Ved å erstatte denne kraften i uttrykk for arbeid, resulterer det:
W = s. A. Δl
Men produktet A. Δl tilsvarer volumendringen ΔV, og etterlater arbeidet slik:
W = p AV.
For en isobarisk prosess tar den første loven formen:
ΔU = Q - p ΔV
Det er de som foregår ved konstant temperatur. Dette kan skje ved å sette systemet i kontakt med et eksternt termisk reservoar og få varmevekslingen til å foregå veldig sakte, slik at temperaturen er konstant..
For eksempel kan varme strømme fra et varmt reservoar inn i systemet, slik at systemet kan jobbe uten variasjon i ΔU. Deretter:
Q + W = 0
I den adiabatiske prosessen er det ingen overføring av termisk energi, derfor blir Q = 0 og den første loven redusert til ΔU = W. Denne situasjonen kan oppstå i godt isolerte systemer og betyr at energiendringen kommer fra arbeidet som er gjort. om ham, i henhold til gjeldende skiltkonvensjon (IUPAC).
Det kan tenkes at siden det ikke er noen overføring av termisk energi, vil temperaturen forbli konstant, men dette er ikke alltid tilfelle. Overraskende nok resulterer kompresjonen av en isolert gass i en økning i temperaturen, mens temperaturen i adiabatisk ekspansjon synker.
I en lukket sti prosess, systemet går tilbake til samme tilstand som det var i begynnelsen, uavhengig av hva som skjedde på de mellomliggende punktene. Disse prosessene ble nevnt før når vi snakket om ikke-isolerte systemer.
I dem er ΔU = 0 og derfor Q = W eller Q = -W i henhold til tegnet kriterium.
Lukkede prosesser er veldig viktige fordi de er grunnlaget for termiske motorer som dampmotoren..
Til slutt, gratis utvidelse det er en idealisering som foregår i en termisk isolert beholder som inneholder gass. Beholderen har to rom atskilt med en skillevegg eller membran, og gassen er i ett av dem.
Beholderens volum øker plutselig hvis membranen sprekker og gassen utvider seg, men beholderen inneholder ikke et stempel eller noe annet objekt å bevege seg på. Da fungerer ikke gassen mens den ekspanderer og W = 0. Fordi den er varmeisolert, er Q = 0 og det konkluderes umiddelbart at ΔU = 0.
Derfor forårsaker fri ekspansjon ikke endringer i gassens energi, men paradoksalt nok mens den utvides ikke er i likevekt.
- 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 gassens indre energi bare takket være varmeoverføringen på grunn av denne kontakten..
- Termiske maskiner utfører en syklus der de tar varmen fra en termisk tank, konverterer nesten alt til arbeid, og etterlater en del for egen drift, og overskuddsvarmen dumpes i en annen kaldere tank, som generelt er miljøet..
- Tilberedning av sauser i en avdekket gryte er et daglig eksempel på en isobar prosess, siden tilberedning foregår ved atmosfærisk trykk og volumet av saus reduseres over tid når væsken fordamper..
- En ideell gass der en isotermisk prosess finner sted holder produktet av trykk og volum konstant: P. V = konstant.
- Metabolismen til varmblodede dyr lar dem opprettholde en konstant temperatur og utføre flere biologiske prosesser, på bekostning av energien i maten.
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) beregne endringen i dens indre energi.
I den adiabatiske prosessen er det tilfreds med at Peller = PF, arbeidet som er gjort på gassen er W = P. AV, som forklart i de foregående avsnittene.
Følgende konverteringsfaktorer kreves:
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
Erstatte verdiene du får:
W = 81060 Pa x 0,007 m3 = 567,42 J
Når systemet gir opp varmen, Spørsmål tegn er tildelt - derfor er termodynamikkens første lov som følger:
ΔU = -400 J + 567,42 J = 167,42 J.
Det er kjent at den indre energien til en gass er 500 J, og når den komprimeres adiabatisk, reduseres volumet med 100 cm3. Hvis trykket på gassen under kompresjon var 3,00 atm, beregne gassens indre energi etter adiabatisk kompresjon.
Siden uttalelsen informerer om at komprimeringen er adiabatisk, er det riktig at Q = 0 Y ΔU = W, deretter:
ΔU = W = U endelig - ELLER første
Med innledende U = 500 J.
I følge dataene AV = 100 cm3 = 100 x 10-6 m3 Y 3 atm = 303975 Pa, Og dermed:
W = P. 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.
Ingen har kommentert denne artikkelen ennå.