ال أولاقانونيعطيالديناميكا الحرارية هو تطبيق المبدأيعطيالحفاظ علىيعطيطاقة للأنظمة الديناميكية الحرارية. وفقا لهذا القانون ، فإن الاختلاف الطاقة الداخلية من النظام الديناميكي الحراري هو الفرق بين كمية الحرارة يمتصه النظام والعمل الذي يقوم به.
نظرةأيضا:المفاهيم الأساسية وملخص علم الحرارة
ما هو القانون الأول للديناميكا الحرارية؟
القانون الأول للديناميكا الحرارية هو نتيجة مباشرة لمبدأ الحفاظ على الطاقة. وفقًا لهذا المبدأ ، إجمالي الطاقة للنظامدائما يبقى ثابتا، لأنها لم تضيع ، بل تحولت.
في نطاق الديناميكا الحرارية، يستخدم مفاهيم أكثر تحديدًا وأقل عمومية من تلك المستخدمة في مبدأ الحفاظ على الطاقة. في القانون الأول للديناميكا الحرارية ، نستخدم مفاهيم مثل طاقةداخلي،الحرارة و الشغل، ذات الصلة بنطاق الآلات الحرارية (التطبيقات التكنولوجية ذات الأهمية الأساسية للديناميكا الحرارية).
تخيل آلة تعمل بالبخار ، عندما يتلقى سائل العمل لتلك الآلة (بخار الماء) حرارة من مصدر خارجي ، يمكن إجراء تحوليين للطاقة: يمكن أن يكون للبخار خاصته درجة الحرارة زيادة بضع درجات أو حتى يمكن ذلك وسعت وتحريك مكابس تلك الآلة ، وبالتالي أداء قدر معين من الشغل.
"التباين في الطاقة الداخلية لنظام ديناميكي حراري يتوافق مع الفرق بين كمية الحرارة التي يمتصها وكمية العمل الذي يؤديه هذا النظام."
صيغة القانون الأول للديناميكا الحرارية
الصيغة المستخدمة لوصف القانون الأول للديناميكا الحرارية رياضيًا موضحة أدناه:
يو - اختلاف الطاقة الداخلية (كال أو J)
س - الحرارة (الجير أو J)
τ - العمل (الجير أو J)
من أجل استخدام هذه الصيغة ، نحتاج إلى الانتباه إلى بعض قواعد الإشارة:
ΔU - ستكون موجبة إذا زادت درجة حرارة النظام ؛
ΔU - ستكون سالبة إذا انخفضت درجة حرارة النظام ؛
س - ستكون موجبة إذا كان النظام يمتص الحرارة من البيئة الخارجية ؛
س - ستكون سالبة إذا أعطى النظام حرارة للبيئة الخارجية ؛
τ – سيكون إيجابيًا إذا تم توسيع النظام ، وتنفيذ العمل على البيئة الخارجية ؛
τ – سيكون سلبيا إذا تعاقد النظام واستلام العمل من البيئة الخارجية.
اختلاف الطاقة الداخلية
يشير المصطلح ΔU إلى تغيير الطاقة المنسوب إلى الطاقة الحركية من الجسيمات المكونة للنظام ، في حالة الغاز المثالي ، يمكن القول أن ΔU تعادل:
لا - عدد الشامات (مول)
ص - الثابت العام للغازات المثالية (0.082 atm.l / mol. كلفن أو 8.31 جول / مول. ك)
تي - درجة حرارة مطلقة (كلفن)
عند تحليل الصيغ ، يمكن ملاحظة أنه إذا لم يكن هناك تغيير في درجة الحرارة في النظام ، فإنه الطاقة الداخلية سيبقى أيضا دون تغيير. علاوة على ذلك ، من المهم أن نقول أنه بالنسبة للآلات الحرارية ، التي تعمل في دورات ، يجب أن يكون تغير الطاقة الداخلية ، في نهاية كل دورة ، لاغياً، لأنه عند هذه النقطة ، يعود المحرك للعمل بدرجة الحرارة الأولية.
نظرةأيضا:أداء الآلات الحرارية: كيف يتم حسابها؟
الحرارة
بالانتقال إلى المصطلح التالي ، Q ، والذي يشير إلى كمية الحرارة المنقولة إلى النظام ، نستخدم عادةً المعادلة الأساسية لقياس الكالوري، ظاهر أدناه:
س -الحرارة (الجير أو J)
م - الكتلة (جم أو كجم)
ç - حرارة محددة (كال / جمºC أو J / كجم. ك)
Δ ت - تغير درجة الحرارة (مئوية أو كلفن)
عمل
آخر الكميات المتعلقة بالقانون الأول للديناميكا الحرارية هو العمل (τ) ، الذي يحتوي على الصيغة التحليلية فقط للتحولات التي تحدث تحت ضغط ثابت ، والمعروفة أيضًا مثل التحولات متساوي الضغط، يشاهد:
ص - الضغط (باسكال أو أجهزة الصراف الآلي)
ΔV - اختلاف الحجم (متر مكعب أو لتر)
عندما يكون الضغط على النظام غير ثابت ، يمكن حساب الشغل من خلال مساحة الرسم البياني للضغط مقابل الحجم (P x V). لمعرفة المزيد حول هذا الحجم القياسي ، تفضل بزيارة: الشغل.
تمارين حلها
السؤال رقم 1)(سيفيتMG) العمل المنجز في دورة حرارية مغلقة يساوي 100 J ، والحرارة المتضمنة في التبادل الحراري تساوي 1000 J و 900 J ، على التوالي ، مع المصادر الساخنة والباردة.
من القانون الأول للديناميكا الحرارية ، تباين الطاقة الداخلية في هذه الدورة الحرارية ، بالجول ، هو
أ) 0
ب) 100
ج) 800
د) 900
هـ) 1000
القرار
البديل أ.
دعونا نحل التمرين باستخدام القانون الأول للديناميكا الحرارية ، لاحظ:
وفقًا للبيان ، يُطلب منا حساب تباين الطاقة الداخلية في دورة ديناميكية حرارية مغلقة ، وفي هذه الحالة نعلم أن يجب أن يكون التغير الداخلي للطاقة صفراً ، حيث ستعود الآلة إلى العمل بنفس درجة الحرارة التي كانت عليها في بداية الدورة.
السؤال 2)(Upf) تتوسع عينة من الغاز المثالي بمضاعفة حجمه خلال تحول متساوي الضغط وثابت الحرارة. علما بأن الضغط الذي يتعرض له الغاز يبلغ 5.106 Pa وحجمه الأولي 2.10-5 م³ ، يمكننا القول:
أ) الحرارة التي يمتصها الغاز أثناء العملية 25 كالوري.
ب) الشغل الذي قام به الغاز أثناء التمدد 100 كالوري.
ج) تغير الطاقة الداخلية للغاز هو -100 ج.
د) تظل درجة حرارة الغاز ثابتة.
هـ) لا شيء مما سبق.
القرار
البديل ج.
باستخدام المعلومات المقدمة في بيان التمرين ، سنستخدم القانون الأول للديناميكا الحرارية للعثور على البديل الصحيح:
السؤال 3)(رائع) علبة المطبخ تحتوي على غاز عالي الضغط. عندما نفتح هذه الأسطوانة ، نلاحظ أن الغاز يتسرب بسرعة إلى الغلاف الجوي. نظرًا لأن هذه العملية سريعة جدًا ، يمكننا اعتبارها عملية ثابتة.
بالنظر إلى أن القانون الأول للديناميكا الحرارية يُعطى بواسطة ΔU = Q - W ، حيث ΔU هو التغيير في الطاقة داخل الغاز ، Q هي الطاقة المنقولة على شكل حرارة و W هو الشغل الذي يقوم به الغاز ، هذا صحيح يذكر أن:
أ) زيادة ضغط الغاز وانخفاض درجة الحرارة.
ب) كان الشغل الذي أنجزه الغاز موجبًا ولم تتغير درجة حرارة الغاز.
ج) كان الشغل الذي قام به الغاز موجبًا وانخفضت درجة حرارة الغاز.
د) زاد ضغط الغاز وكان العمل المنجز سلبياً.
القرار
البديل ج.
بمجرد أن يتوسع حجم الغاز ، نقول أن العمل المنجز كان إيجابيًا ، أي أن الغاز نفسه يؤدي عملاً في البيئة الخارجية. علاوة على ذلك ، نظرًا لأن العملية تحدث بسرعة كبيرة ، فلا يوجد وقت للغاز لتبادل الحرارة مع المناطق المحيطة ، لذلك يحدث ما يلي:
وفقًا للحساب ، تقل الطاقة الداخلية للغاز بمقدار مساوٍ للعمل المنجز بواسطة الغاز ، بالإضافة إلى ذلك ، نظرًا لوجود انخفاض في الطاقة الداخلية للغاز ، هناك أيضًا انخفاض في درجة الحرارة.
السؤال 4)(أوديسك) في معمل الفيزياء ، يتم إجراء التجارب باستخدام غاز يمكن اعتباره غازًا مثاليًا لأغراض التحليل الديناميكي الحراري. من تحليل إحدى التجارب ، التي تعرض فيها الغاز لعملية ديناميكية حرارية ، استنتج أن كل الحرارة التي يتم توفيرها للغاز قد تم تحويلها إلى عمل.
تحقق من البديل الذي يمثل بشكل صحيح العملية الديناميكية الحرارية التي أجريت في التجربة.
أ) عملية قياس الحجم
ب) عملية متساوية الحرارة
ج) عملية متساوية الضغط
د) عملية ثابت الحرارة
هـ) العملية المركبة: متساوية الضغط ومتساوية الحجم
القرار
البديل ب.
لكي يتم تحويل كل الحرارة الموردة إلى الغاز إلى عمل ، يجب ألا يكون هناك امتصاص للطاقة الداخلية بمعنى آخر ، يحتاج الغاز إلى المرور بعملية متساوية الحرارة ، أي عملية تحدث في درجة حرارة ثابت.
بقلم رافائيل هيلربروك
مدرس الفيزياء
مصدر: مدرسة البرازيل - https://brasilescola.uol.com.br/fisica/primeira-lei-da-termodinamica.htm
