Det Første lov om termodynamik siger, at enhver ændring, der opleves af energien i et system, kommer fra det udførte mekaniske arbejde plus den varme, der udveksles med miljøet. Uanset om de er i hvile eller i bevægelse, har objekter (systemer) forskellige energier, som kan transformeres fra en klasse til en anden gennem en eller anden form for proces..
Hvis et system er i stillheden på laboratoriet, og dets mekaniske energi er 0, har det stadig intern energi på grund af det faktum, at partiklerne, der komponerer det, konstant oplever tilfældige bevægelser.
Partiklernes tilfældige bevægelser sammen med de elektriske interaktioner og i nogle tilfælde de nukleare udgør systemets indre energi, og når det interagerer med dets miljø, opstår variationer i den indre energi..
Der er flere måder at få disse ændringer til at ske:
- Den første er, at systemet udveksler varme med miljøet. Dette sker, når der er en temperaturforskel mellem de to. Derefter opgiver den, der er varmere, varmen - en måde at overføre energi - til den koldeste, indtil begge temperaturer er ens og når termisk ligevægt..
- Ved at udføre et job, uanset om systemet udfører det, eller om en ekstern agent gør det på systemet.
- Tilføjelse af masse til systemet (masse er lig med energi).
Lad U være den indre energi, balancen ville være ΔU = endelig U - indledende U, så det er praktisk at tildele tegn, der ifølge IUPAC-kriteriet (International Union of Pure and Applied Chemistry) De er:
- Positive Q og W (+), når systemet modtager varme og arbejdet er udført over det (energi overføres).
- Negative Q og W (-), hvis systemet opgiver varme og fungerer på miljøet (energi falder).
Artikelindeks
Den første lov om termodynamik er en anden måde at sige, at energi hverken skabes eller ødelægges, men transformeres fra en type til en anden. Dette vil have produceret varme og arbejde, som kan udnyttes godt. Matematisk udtrykkes det som følger:
ΔU = Q + W
Hvor:
- ΔU er ændringen i systemets energi givet af: ΔU = Endelig energi - Startenergi = UF - ELLEReller
- Q er varmevekslingen mellem systemet og miljøet.
- W er den arbejde udført på systemet.
I nogle tekster præsenteres den første lov om termodynamik således:
ΔU = Q - W
Dette betyder ikke, at de modsiger hinanden, eller at der er en fejl. Dette skyldes, at arbejde W blev defineret som arbejde udført af systemet snarere end at bruge arbejde udført på systemet, som i IUPAC-tilgangen.
Med dette kriterium angives termodynamikens første lov på denne måde:
Hvornår overføres en mængde varme Q til et legeme og dette igen udføre bestemt arbejde W, ændringen i dens indre energi er givet af ΔU = Q - W.
At være i overensstemmelse med valg af tegn og tage i betragtning at:
W udføres på systemet = - W udført af systemet
Begge kriterier giver korrekte resultater.
Både varme og arbejde er to måder at overføre energi mellem systemet og dets omgivelser. Alle involverede mængder har som enhed i det internationale system joule eller joule, forkortet J.
Den første lov om termodynamik giver information om ændringen i energi, ikke de absolutte værdier af den endelige eller indledende energi. Selv nogle af dem kunne tages som 0, fordi det der tæller er forskellen i værdier.
En anden vigtig konklusion er, at hvert isolerede system har ΔU = 0, da det ikke er i stand til at udveksle varme med miljøet, og intet eksternt middel får lov til at arbejde på det, så energien forbliver konstant. En termos til at holde din kaffe varm er en rimelig tilnærmelse.
Så i et ikke-isoleret system er ΔU altid forskellig fra 0? Ikke nødvendigvis kan ΔU være 0, hvis dens variabler, som normalt er tryk, temperatur, volumen og antal mol, gennemgår en cyklus, hvor deres indledende og endelige værdier er de samme.
I Carnot-cyklussen omdannes for eksempel al den varmeenergi til brugbart arbejde, da den ikke overvejer tab på grund af friktion eller viskositet.
Hvad angår U, systemets mystiske energi, inkluderer hun:
- Partiklernes kinetiske energi, når de bevæger sig, og det, der kommer fra atomer og molekylers vibrationer og rotation.
- Potentiel energi på grund af elektriske interaktioner mellem atomer og molekyler.
- Interaktioner mellem atomkernen, som inde i solen.
Den første lov siger, at det er muligt at producere varme og arbejde ved at få den indre energi i et system til at ændre sig. En af de mest succesrige applikationer er forbrændingsmotoren, hvor en bestemt mængde gas tages, og dens udvidelse bruges til at udføre arbejde. En anden velkendt anvendelse er dampmaskinen.
Motorer bruger normalt cyklusser eller processer, hvor systemet starter fra en indledende ligevægtstilstand mod en anden endelig tilstand, også af ligevægt. Mange af dem finder sted under forhold, der letter beregningen af arbejde og varme fra den første lov.
Her er enkle skabeloner, der beskriver almindelige hverdagssituationer. De mest illustrative processer er adiabatiske, isokoriske, isotermiske, isobariske processer, lukkede baneprocesser og fri ekspansion. I dem holdes en systemvariabel konstant, og derfor tager den første lov en bestemt form.
Det er dem, hvor systemets lydstyrke forbliver konstant. Derfor udføres der ikke noget arbejde, og med W = 0 forbliver det:
ΔU = Q
I disse processer forbliver trykket konstant. Arbejdet udført af systemet skyldes volumenændring.
Antag, at en gas er begrænset i en container. Da arbejde W er defineret som:
W = kraft x forskydning = F.Δl (gyldig for en konstant kraft parallel med forskydningen).
Og til gengæld er trykket:
p = F / A ⇒ F = p.A
Ved at erstatte denne kraft i udtryk for arbejde resulterer det:
W = s. A. Al
Men produktet A. Al er lig med volumenændringen ΔV og efterlader arbejdet sådan:
W = p AV.
For en isobarisk proces har den første lov form:
ΔU = Q - p ΔV
Det er dem, der finder sted ved en konstant temperatur. Dette kan ske ved at bringe systemet i kontakt med et eksternt termisk reservoir og få varmeudvekslingen til at foregå meget langsomt, så temperaturen er konstant..
For eksempel kan varme strømme fra et varmt reservoir ind i systemet, så systemet kan arbejde uden variation i ΔU. Derefter:
Q + W = 0
I den adiabatiske proces er der ingen overførsel af termisk energi, derfor Q = 0 og den første lov reduceres til ΔU = W. Denne situation kan forekomme i godt isolerede systemer og betyder, at energiforandringen kommer fra det arbejde, der er udført. om ham ifølge den nuværende tegnkonvention (IUPAC).
Man kan tro, at da der ikke er nogen overførsel af termisk energi, vil temperaturen forblive konstant, men dette er ikke altid tilfældet. Overraskende nok resulterer kompressionen af en isoleret gas i en stigning i dens temperatur, mens temperaturen i adiabatisk ekspansion falder.
I en proces med lukket sti, systemet vender tilbage til den samme tilstand som det var i starten, uanset hvad der skete på de mellemliggende punkter. Disse processer blev nævnt før, når vi talte om ikke-isolerede systemer.
I dem er ΔU = 0 og derfor Q = W eller Q = -W i henhold til det vedtagne tegnkriterium.
Lukkede sti-processer er meget vigtige, fordi de er grundlaget for termiske motorer såsom dampmaskinen..
Endelig blev gratis udvidelse det er en idealisering, der finder sted i en termisk isoleret beholder, der indeholder en gas. Beholderen har to rum adskilt af en skillevæg eller membran, og gassen er i et af dem.
Beholderens volumen øges pludselig, hvis membranen brister, og gassen udvides, men beholderen indeholder ikke et stempel eller noget andet objekt, der skal bevæges. Derefter fungerer gassen ikke, mens den udvides, og W = 0. Fordi den er termisk isoleret, er Q = 0, og det konkluderes straks, at ΔU = 0.
Derfor medfører fri ekspansion ikke ændringer i gasens energi, men paradoksalt nok, mens den ekspanderer, er den ikke i ligevægt.
- En typisk isokorisk proces er opvarmning af en gas i en lufttæt og stiv beholder, for eksempel en trykkoger uden en udstødningsventil. På denne måde forbliver lydstyrken konstant, og hvis vi sætter en sådan beholder i kontakt med andre legemer, ændres gassens indre energi kun takket være varmeoverførslen på grund af denne kontakt..
- Termiske maskiner udfører en cyklus, hvor de tager varme fra en termisk tank, omdanner næsten alt til arbejde, efterlader en del til deres egen drift, og den overskydende varme dumpes i en anden koldere tank, som generelt er miljøet..
- Tilberedning af saucer i en ikke-afdækket gryde er et dagligt eksempel på en isobarisk proces, da madlavning finder sted ved atmosfærisk tryk, og mængden af sauce falder over tid, når væsken fordamper..
- En ideel gas, hvori en isoterm proces finder sted, holder produktet af tryk og volumen konstant: P. V = konstant.
- Metabolismen af varmblodede dyr giver dem mulighed for at opretholde en konstant temperatur og udføre flere biologiske processer på bekostning af energien i mad.
En gas komprimeres ved et konstant tryk på 0,800 atm, så dens volumen varierer fra 9,00 l til 2,00 l. I processen giver gassen op 400 J energi gennem varme. a) Find det arbejde, der er udført på gassen, og b) beregn ændringen i dens interne energi.
I den adiabatiske proces er det tilfreds med det Peller = PF, arbejdet på gassen er W = P. AV, som forklaret i de foregående afsnit.
Følgende konverteringsfaktorer er påkrævet:
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
Udskiftning af de værdier, du får:
W = 81060 Pa x 0,007 m3 = 567,42 J
Når systemet giver op varme, Spørgsmål tegn tildeles - derfor er termodynamikens første lov som følger:
ΔU = -400 J + 567,42 J = 167,42 J.
Det er kendt, at den indre energi i en gas er 500 J, og når den komprimeres adiabatisk, falder dens volumen med 100 cm3. Hvis det tryk, der påføres gassen under kompression, var 3,00 atm, skal du beregne den indre energi af gassen efter adiabatisk kompression.
Da udsagnet informerer om, at komprimeringen er adiabatisk, er det rigtigt, at Q = 0 Y ΔU = W, derefter:
ΔU = W = U endelig - ELLER initial
Med indledende U = 500 J.
Ifølge dataene AV = 100 cm3 = 100 x 10-6 m3 Y 3 atm = 303975 Pa, Dermed:
W = P. AV = 303975 Pa x 100 x 10-6 m3 = 30,4 J
ELLER endelig - ELLER initial = 30,4 J
ELLER endelig = U initial + 30,4 J = 500 J + 30,4 J = 530,4 J.
Endnu ingen kommentarer