Ο ΠρώταΝόμοςδίνειΘερμοδυναμική είναι μια εφαρμογή του αρχήδίνειδιατήρησηδίνειενέργεια για θερμοδυναμικά συστήματα. Σύμφωνα με αυτόν τον νόμο, η παραλλαγή του εσωτερική ενέργεια ενός θερμοδυναμικού συστήματος είναι η διαφορά μεταξύ της ποσότητας θερμότητα απορροφάται από το σύστημα και τη δουλειά του.
Κοίταεπίσης:Θεμελιώδεις έννοιες και περίληψη της Θερμολογίας
Ποιος είναι ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής;
Ο Πρώτος Νόμος της Θερμοδυναμικής είναι άμεση συνέπεια της αρχής της εξοικονόμησης ενέργειας. Σύμφωνα με αυτήν την αρχή, η συνολική ενέργεια ενός συστήματοςπάντα παραμένει σταθερή, αφού δεν έχει χαθεί, αλλά μεταμορφωθεί.
Εντός του πεδίου εφαρμογής του Θερμοδυναμική, είναι μεταχειρισμένα πιο συγκεκριμένες έννοιες και λιγότερο γενικές από αυτές που χρησιμοποιούνται στην αρχή της εξοικονόμησης ενέργειας. Στον Πρώτο Νόμο της Θερμοδυναμικής, χρησιμοποιούμε έννοιες όπως ενέργειαεσωτερικός,θερμότητα και εργασία, που σχετίζονται με το πεδίο εφαρμογής του Θερμικές μηχανές (τεχνολογικές εφαρμογές θεμελιώδους σημασίας για τη Θερμοδυναμική).
Φανταστείτε μια μηχανή με ατμό, όταν το ρευστό εργασίας αυτής της μηχανής (υδρατμός) δέχεται θερμότητα από εξωτερική πηγή, είναι δυνατές δύο μετατροπές ενέργειας: ο ατμός μπορεί να έχει τη θερμοκρασία αυξήθηκε κατά μερικούς βαθμούς ή, ακόμη και, μπορεί επεκτείνουν και μετακινήστε τα έμβολα αυτού του μηχανήματος, εκτελώντας έτσι μια ορισμένη ποσότητα εργασία.
"Η διακύμανση της εσωτερικής ενέργειας ενός θερμοδυναμικού συστήματος αντιστοιχεί στη διαφορά μεταξύ της ποσότητας θερμότητας που απορροφάται από αυτό και της ποσότητας εργασίας που εκτελεί αυτό το σύστημα."
Μην σταματάς τώρα... Υπάρχουν περισσότερα μετά τη διαφήμιση.)
Τύπος του πρώτου νόμου της θερμοδυναμικής
Ο τύπος που χρησιμοποιείται για την μαθηματική περιγραφή του πρώτου νόμου της θερμοδυναμικής φαίνεται παρακάτω:
Ε - εσωτερική διακύμανση ενέργειας (cal ή J)
Ερ - θερμότητα (ασβέστης ή J)
τ - εργασία (ασβέστης ή J)
Για να χρησιμοποιήσουμε αυτόν τον τύπο, πρέπει να δώσουμε προσοχή σε ορισμένους κανόνες σήματος:
ΔU - θα είναι θετικό εάν αυξηθεί η θερμοκρασία του συστήματος.
ΔU - θα είναι αρνητικό εάν μειωθεί η θερμοκρασία του συστήματος.
Ερ - θα είναι θετικό εάν το σύστημα απορροφά θερμότητα από το εξωτερικό περιβάλλον ·
Ερ - θα είναι αρνητικό, εάν το σύστημα δίνει θερμότητα στο εξωτερικό περιβάλλον ·
τ – θα είναι θετικό εάν το σύστημα επεκταθεί, εκτελώντας εργασίες για το εξωτερικό περιβάλλον.
τ – θα είναι αρνητικό εάν το σύστημα συρρικνωθεί, λαμβάνοντας εργασία από το εξωτερικό περιβάλλον.
εσωτερική ενεργειακή διακύμανση
Ο όρος ΔU αναφέρεται στην ενεργειακή αλλαγή που αποδίδεται στο κινητική ενέργεια των συστατικών σωματιδίων του συστήματος, στην περίπτωση ενός ιδανικού αερίου, μπορεί να ειπωθεί ότι το ΔU ισοδυναμεί με:
όχι - αριθμός γραμμομορίων (mol)
Ρ - καθολική σταθερά ιδανικών αερίων (0,082 atm.l / mol. Κ ή 8,31 J / mol. Κ)
Τ - απόλυτη θερμοκρασία (kelvin)
Αναλύοντας τους τύπους, μπορεί να φανεί ότι, εάν δεν υπάρχει αλλαγή θερμοκρασίας στο σύστημα, αυτό εσωτερική ενέργεια θα παραμείνει επίσης αμετάβλητη. Επιπλέον, είναι σημαντικό να πούμε ότι για θερμικά μηχανήματα, τα οποία λειτουργούν σε κύκλους, η διακύμανση της εσωτερικής ενέργειας, στο τέλος κάθε κύκλου, πρέπει να είναι μηδενική, επειδή σε αυτό το σημείο, ο κινητήρας επιστρέφει σε λειτουργία με την αρχική θερμοκρασία.
Κοίταεπίσης:Απόδοση θερμικών μηχανών: πώς υπολογίζεται;
Θερμότητα
Προχωρώντας στον επόμενο όρο, Q, που αναφέρεται στην ποσότητα θερμότητας που μεταφέρεται στο σύστημα, συνήθως χρησιμοποιούμε το θεμελιώδης εξίσωση της θερμιδομετρίας, Φαίνεται παρακάτω:
Ερ - θερμό (ασβέστης ή J)
Μ - μάζα (g ή kg)
ντο - ειδική θερμότητα (cal / gºC ή J / kg. Κ)
ΔΤ - διακύμανση θερμοκρασίας (κελσίου ή kelvin)
Εργασία
Η τελευταία από τις ποσότητες που σχετίζονται με τον Πρώτο Νόμο της Θερμοδυναμικής είναι η εργασία (τ), η οποία έχει Αναλυτικός τύπος μόνο για μετασχηματισμούς που συμβαίνουν υπό σταθερή πίεση, επίσης γνωστός σαν ισοβαρικοί μετασχηματισμοί, παρακολουθώ:
Π - πίεση (Pa ή atm)
ΔV - διακύμανση όγκου (m³ ή l)
Όταν η πίεση που ασκείται στο σύστημα δεν είναι σταθερή, η εργασία μπορεί να υπολογιστεί από την περιοχή του γραφήματος πίεσης έναντι όγκου (P x V). Για να μάθετε περισσότερα σχετικά με αυτό το κλιμακωτό μέγεθος, επισκεφθείτε: εργασία.
λύσεις ασκήσεις
Ερώτηση 1)(CefetMG) Η εργασία που εκτελείται σε κλειστό θερμικό κύκλο είναι ίση με 100 J, και η θερμότητα που εμπλέκεται σε θερμικές ανταλλαγές είναι ίση με 1000 J και 900 J, αντίστοιχα, με θερμές και κρύες πηγές.
Από τον πρώτο νόμο της θερμοδυναμικής, η διακύμανση της εσωτερικής ενέργειας σε αυτόν τον θερμικό κύκλο, σε joules, είναι
α) 0
β) 100
γ) 800
δ) 900
ε) 1000
Ανάλυση
Εναλλακτική α.
Ας λύσουμε την άσκηση χρησιμοποιώντας τον Πρώτο Νόμο της Θερμοδυναμικής, σημειώστε:
Σύμφωνα με τη δήλωση, μας ζητείται να υπολογίσουμε τη διακύμανση της εσωτερικής ενέργειας σε έναν κλειστό θερμοδυναμικό κύκλο, οπότε γνωρίζουμε ότι η Η εσωτερική διακύμανση της ενέργειας πρέπει να είναι μηδενική, καθώς το μηχάνημα θα επιστρέψει στη λειτουργία του στην ίδια θερμοκρασία που ήταν στην αρχή του κύκλου.
Ερώτηση 2)(Upf) Ένα δείγμα ενός ιδανικού αερίου διαστέλλεται διπλασιάζοντας τον όγκο του κατά τη διάρκεια ενός ισοβαρικού και αδιαβατικού μετασχηματισμού. Λαμβάνοντας υπόψη ότι η πίεση που βιώνει το αέριο είναι 5.106 Pa και ο αρχικός τόμος του 2.10-5 μπορούμε να πούμε:
α) Η θερμότητα που απορροφάται από το αέριο κατά τη διάρκεια της διαδικασίας είναι 25 cal.
β) Η εργασία που πραγματοποιείται από το αέριο κατά τη διαστολή του είναι 100 θερμίδες.
γ) Η εσωτερική ενεργειακή διακύμανση του αερίου είναι –100 J.
δ) Η θερμοκρασία του αερίου παραμένει σταθερή.
ε) Κανένα από τα παραπάνω.
Ανάλυση
Εναλλακτική γ.
Χρησιμοποιώντας τις πληροφορίες που παρέχονται από τη δήλωση άσκησης, θα χρησιμοποιήσουμε τον Πρώτο Νόμο της Θερμοδυναμικής για να βρούμε τη σωστή εναλλακτική:
Ερώτηση 3)(Ουάου) Ένα δοχείο κουζίνας περιέχει αέριο υψηλής πίεσης. Όταν ανοίγουμε αυτόν τον κύλινδρο, παρατηρούμε ότι το αέριο διαφεύγει γρήγορα στην ατμόσφαιρα. Καθώς αυτή η διαδικασία είναι πολύ γρήγορη, μπορούμε να την θεωρήσουμε αδιαβατική διαδικασία.
Λαμβάνοντας υπόψη ότι ο Πρώτος Νόμος της Θερμοδυναμικής δίνεται από ΔU = Q - W, όπου ΔU είναι η αλλαγή στην ενέργεια μέσα στο αέριο, το Q είναι η ενέργεια που μεταφέρεται με τη μορφή θερμότητας και το W είναι η εργασία που πραγματοποιείται από το αέριο, αυτό είναι σωστό δηλώστε ότι:
α) Η πίεση του αερίου αυξήθηκε και η θερμοκρασία μειώθηκε.
β) Η εργασία του αερίου ήταν θετική και η θερμοκρασία του αερίου δεν άλλαξε.
γ) Η εργασία του αερίου ήταν θετική και η θερμοκρασία του αερίου μειώθηκε.
δ) Η πίεση αερίου αυξήθηκε και η εργασία που πραγματοποιήθηκε ήταν αρνητική.
Ανάλυση
Εναλλακτική γ.
Μόλις αυξηθεί ο όγκος του αερίου, λέμε ότι η εργασία που πραγματοποιήθηκε ήταν θετική, δηλαδή, το ίδιο το αέριο πραγματοποίησε εργασία στο εξωτερικό περιβάλλον. Επιπλέον, δεδομένου ότι η διαδικασία λαμβάνει χώρα πολύ γρήγορα, δεν υπάρχει χρόνος για το αέριο να ανταλλάξει θερμότητα με το περιβάλλον, έτσι συμβαίνουν τα εξής:
Σύμφωνα με τον υπολογισμό, η εσωτερική ενέργεια του αερίου μειώνεται κατά ποσό ίσο με την εργασία που έχει γίνει. από το αέριο, επιπλέον, δεδομένου ότι υπάρχει μείωση της εσωτερικής ενέργειας του αερίου, υπάρχει επίσης μια μείωση στο θερμοκρασία.
Ερώτηση 4)(Ούντεσκ) Σε ένα εργαστήριο φυσικής, πραγματοποιούνται πειράματα με ένα αέριο που, για σκοπούς θερμοδυναμικής ανάλυσης, μπορεί να θεωρηθεί ιδανικό αέριο. Από την ανάλυση ενός από τα πειράματα, στα οποία το αέριο υποβλήθηκε σε θερμοδυναμική διαδικασία, συνήχθη το συμπέρασμα ότι όλη η θερμότητα που παρέχεται στο αέριο μετατράπηκε σε εργασία.
Ελέγξτε την εναλλακτική που αντιπροσωπεύει σωστά η θερμοδυναμική διαδικασία που πραγματοποιήθηκε στο πείραμα.
α) ισοογκομετρική διαδικασία
β) ισοθερμική διαδικασία
γ) ισοβαρική διαδικασία
δ) αδιαβατική διαδικασία
ε) σύνθετη διαδικασία: ισοβαρική και ισοογκομετρική
Ανάλυση
Εναλλακτική β.
Για να μετατραπεί σε όλη τη θερμότητα που παρέχεται σε ένα αέριο, δεν πρέπει να απορροφηθεί εσωτερική ενέργεια από Με άλλα λόγια, το αέριο πρέπει να περάσει από μια ισοθερμική διαδικασία, δηλαδή μια διαδικασία που λαμβάνει χώρα σε θερμοκρασία συνεχής.
Από τον Rafael Hellerbrock
Καθηγητής φυσικής
