თერმოდინამიკის პირველი კანონი

ᲞირველიᲙანონიაძლევსთერმოდინამიკა არის პროგრამა პრინციპიაძლევსკონსერვაციააძლევსენერგია თერმოდინამიკური სისტემებისთვის. ამ კანონის თანახმად, ვარიაცია შინაგანი ენერგია თერმოდინამიკური სისტემის განსხვავებაა სიცხე შეიწოვება სისტემამ და მის მიერ შესრულებულმა სამუშაოებმა.

შეხედეასევე:თერმოლოგიის ფუნდამენტური ცნებები და რეზიუმე

რა არის თერმოდინამიკის პირველი კანონი?

თერმოდინამიკის პირველი კანონი ენერგიის დაზოგვის პრინციპის პირდაპირი შედეგია. ამ პრინციპის თანახმად, სისტემის მთლიანი ენერგიაყოველთვის რჩება მუდმივი, ვინაიდან იგი არ არის დაკარგული, მაგრამ გარდაიქმნება.

ფარგლებში თერმოდინამიკა, გამოყენებულია უფრო კონკრეტული ცნებები და ნაკლებად ზოგადი ვიდრე ენერგოდაზოგვის პრინციპში გამოყენებული. თერმოდინამიკის პირველ კანონში ჩვენ ვიყენებთ ისეთ ცნებებს, როგორიცაა ენერგიაშიდა,სიცხე და მუშაობა, რომლებიც შესაბამისობაშია თერმული მანქანები (თერმოდინამიკისთვის ფუნდამენტური მნიშვნელობის ტექნოლოგიური პროგრამები).

ორთქლის ძრავები მუშაობს თერმოდინამიკის პირველი კანონის შესაბამისად.

წარმოიდგინეთ ორთქლზე მომუშავე მანქანა, როდესაც ამ მანქანის სამუშაო სითხე (წყლის ორთქლი) იღებს სითბოს გარე წყაროდან, შესაძლებელია ენერგიის ორი გარდაქმნა: ორთქლს შეიძლება ჰქონდეს საკუთარი

ტემპერატურა რამდენიმე გრადუსით გაზრდილი ან, თუნდაც, შეიძლება გაფართოება და ამ მანქანის დგუშების გადაადგილება, ამით გარკვეული რაოდენობის შესრულება მუშაობა

”თერმოდინამიკური სისტემის შინაგანი ენერგიის ცვალებადობა შეესაბამება მის მიერ შეწოვილი სითბოს რაოდენობასა და ამ სისტემის მიერ შესრულებული სამუშაოს მოცულობას შორის.”

ნუ გაჩერდები ახლა... რეკლამის შემდეგ მეტია;)

თერმოდინამიკის პირველი კანონის ფორმულა

ქვემოთ მოცემულია თერმოდინამიკის პირველი კანონის მათემატიკური აღსაწერად გამოყენებული ფორმულა:

უ - შიდა ენერგიის ვარიაცია (cal ან J)

Q - სითბო (ცაცხვი ან J)

τ - სამუშაო (ცაცხვი ან J)

ამ ფორმულის გამოსაყენებლად ყურადღება უნდა მივაქციოთ ზოგიერთ სიგნალის წესს:

• ΔU - დადებითი იქნება სისტემის ტემპერატურის გაზრდის შემთხვევაში;

• ΔU - უარყოფითი იქნება სისტემის ტემპერატურის შემცირების შემთხვევაში;

• Q - პოზიტიური იქნება, თუ სისტემა შთანთქავს სითბოს გარე გარემოდან;

• Q - უარყოფითი იქნება, თუ სისტემა სითბოს მიანიჭებს გარე გარემოს;

• τ – პოზიტიური იქნება, თუ სისტემა გაფართოვდება და გარე გარემოზე მუშაობს;

• τ – უარყოფითი იქნება, თუ სისტემა დაიკუმშება, მიიღებს სამუშაოს გარე გარემოდან.

ენერგიის შიდა ვარიაცია

ტერმინი ΔU აღნიშნავს ენერგიის ცვლილებას, რომელსაც მიეკუთვნება კინეტიკური ენერგია სისტემის შემადგენელი ნაწილაკებისგან, იდეალური გაზის შემთხვევაში შეიძლება ითქვას, რომ ΔU ექვივალენტურია:

არა - მოლების რაოდენობა (მოლი)

რ - იდეალური აირების უნივერსალური მუდმივა (0,082 ატ. ლ / მოლ.) K ან 8,31 J / მოლ. კ)

თ - აბსოლუტური ტემპერატურა (კელვინი)

ფორმულების ანალიზით, ჩანს, რომ თუ სისტემაში ტემპერატურა არ შეიცვლება, ეს მისი შინაგანი ენერგია ასევე უცვლელი დარჩება. გარდა ამისა, მნიშვნელოვანია ითქვას, რომ თერმული მანქანებისთვის, რომლებიც მუშაობენ ციკლებში, შინაგანი ენერგიის ცვალებადობა თითოეული ციკლის ბოლოს უნდა იყოს ნულოვანი, რადგან ამ ეტაპზე ძრავა უბრუნდება საწყის ტემპერატურას.

შეხედეასევე:თერმული მანქანების მუშაობა: როგორ ხდება მისი გამოანგარიშება?

სითბო

შემდეგ ტერმინზე გადასვლა Q ხდება, რაც ეხება სისტემაში გადატანილი სითბოს რაოდენობას, ჩვენ ჩვეულებრივ ვიყენებთ კალორიმეტრიის ფუნდამენტური განტოლება, ნაჩვენებია ქვემოთ:

Q - სითბო (ცაცხვი ან J)

მ - მასა (გ ან კგ)

ჩ - სპეციფიკური სითბო (cal / gºC ან J / kg). კ)

ΔT - ტემპერატურის ვარიაცია (ცელსიუსი ან კელვინი)

მუშაობა

თერმოდინამიკის პირველ კანთან დაკავშირებული სიდიდეებიდან ბოლო სამუშაოა (τ), რომელსაც აქვს a ასევე ცნობილია მხოლოდ გარდაქმნის ანალიტიკური ფორმულა, რომელიც ხდება მუდმივი ზეწოლის ქვეშ მოსწონს იზობარული გარდაქმნები, უყურებს:

პ - წნევა (Pa ან ატმოსფერო)

ΔV - მოცულობის ვარიაცია (მ 2 ან ლ)

როდესაც სისტემაზე ზეწოლა არ არის მუდმივი, სამუშაო შეიძლება გამოითვალოს წნევის გრაფიკის ფართობი მოცულობის (P x V) მიხედვით. ამ სკალარული სიდიდის შესახებ მეტი ინფორმაციის მისაღებად ეწვიეთ: მუშაობა.

ამოხსნილი სავარჯიშოები

Კითხვა 1)(ცეფეტიმგ) დახურულ თერმულ ციკლში შესრულებული სამუშაო უდრის 100 J- ს, ხოლო თერმულ გაცვლაში ჩართული სითბო უდრის 1000 J და 900 J შესაბამისად, ცხელი და ცივი წყაროებით.

თერმოდინამიკის პირველი კანონის თანახმად, შინაგანი ენერგიის ცვალებადობა ამ თერმულ ციკლში, ჯოულებში, არის

ა) 0

ბ) 100

გ) 800

დ) 900

ე) 1000

რეზოლუცია

ალტერნატივა ა.

მოდით გადავწყვიტოთ სავარჯიშო თერმოდინამიკის პირველი კანონის გამოყენებით, გაითვალისწინეთ:

განცხადების თანახმად, ჩვენ გვთხოვენ გამოვთვალოთ შიდა ენერგიის ვარიაცია დახურულ თერმოდინამიკურ ციკლში, ამ შემთხვევაში ჩვენ ვიცით, რომ ენერგიის შიდა ვარიაცია უნდა იყოს ნულოვანი, რადგან მანქანა დაუბრუნდება მუშაობას იმავე ტემპერატურაზე, როგორც ეს იყო ციკლის დასაწყისში.

კითხვა 2)(Upf) იზობარული და ადიაბატური ტრანსფორმაციის დროს იდეალური გაზის ნიმუში ფართოვდება მისი მოცულობის გაორმაგებით. იმის გათვალისწინებით, რომ გაზზე გამოცდილი წნევაა 5.10⁶ Pa და მისი საწყისი მოცულობა 2.10^-5 m³, შეგვიძლია ვთქვათ:

ა) გაზის მიერ გაჟღენთილი სითბო პროცესის დროს 25 კალორია.

ბ) გაზის გაფართოების დროს შესრულებული სამუშაოა 100 კალორია.

გ) გაზის შიდა ენერგეტიკული ვარიაცია –100 ჯ.

დ) გაზის ტემპერატურა რჩება მუდმივი.

ე) არც ერთი ჩამოთვლილი.

რეზოლუცია

ალტერნატივა გ.

სავარჯიშო განცხადების მიერ მოწოდებული ინფორმაციის გამოყენებით, ჩვენ გამოვიყენებთ თერმოდინამიკის პირველ კანონს, რომ იპოვოთ სწორი ალტერნატივა:

გაკეთებული გაანგარიშება საშუალებას გვაძლევს დავასკვნათ, რომ ამ ტრანსფორმაციის დროს, გაზი "კარგავს" 100 J შიდა ენერგიას.

კითხვა 3)(ვაუ) სამზარეულოს ქილა შეიცავს მაღალი წნევის გაზს. ამ ცილინდრის გახსნისას ვამჩნევთ, რომ გაზი სწრაფად გადის ატმოსფეროში. რადგან ეს პროცესი ძალიან სწრაფია, შეგვიძლია განვიხილოთ იგი ადიაბატური პროცესი.

იმის გათვალისწინებით, რომ თერმოდინამიკის პირველ კანონს იძლევა ΔU = Q - W, სადაც ΔU არის ენერგიის ცვლილება გაზის შიგნით, Q არის ენერგია, რომელიც გადადის სითბოს სახით და W არის გაზის მიერ შესრულებული სამუშაო, ეს სწორია განაცხადეთ, რომ:

ა) გაზზე წნევა გაიზარდა და ტემპერატურა შემცირდა.

ბ) გაზით შესრულებული სამუშაო პოზიტიური იყო და გაზის ტემპერატურა არ შეცვლილა.

გ) გაზის მიერ შესრულებული სამუშაო იყო პოზიტიური და შემცირდა გაზის ტემპერატურა.

დ) გაზზე წნევა გაიზარდა და შესრულებული სამუშაო უარყოფითი იყო.

რეზოლუცია

ალტერნატივა გ.

გაზის მოცულობის გაფართოების შემდეგ, ჩვენ ვამბობთ, რომ შესრულებული სამუშაო პოზიტიური იყო, ანუ გაზმა თავად შეასრულა სამუშაო გარე გარემოზე. გარდა ამისა, მას შემდეგ, რაც პროცესი ხდება ძალიან სწრაფად, გაზის დრო არ რჩება გარემოში სითბოს გაცვლისთვის, ამიტომ ხდება შემდეგი:

გაანგარიშების მიხედვით, გაზის შიდა ენერგია მცირდება შესრულებული სამუშაოს ტოლი ოდენობით. გაზით, გარდა ამისა, ვინაიდან ხდება გაზის შიდა ენერგიის შემცირება, ასევე ხდება შემცირება ტემპერატურა

კითხვა 4)(უდესკი) ფიზიკის ლაბორატორიაში ტარდება ექსპერიმენტები გაზთან, რომელიც თერმოდინამიკური ანალიზის მიზნით იდეალურ გაზად შეიძლება ჩაითვალოს. ერთ-ერთი ექსპერიმენტის ანალიზიდან, რომელშიც გაზი თერმოდინამიკურ პროცესს დაექვემდებარა, დაასკვნეს, რომ გაზს მოწოდებული მთელი სითბო გარდაიქმნება სამუშაოში.

მონიშნეთ ალტერნატივა, რომელიც წარმოადგენს სწორად ექსპერიმენტში ჩატარებული თერმოდინამიკური პროცესი.

ა) იზოვოლმეტრიული პროცესი

ბ) იზოთერმული პროცესი

გ) იზობარული პროცესი

დ) ადიაბატური პროცესი

ე) კომპოზიციური პროცესი: იზობარული და იზოვოლმეტრიული

რეზოლუცია

ალტერნატივა ბ.

იმისთვის, რომ გაზში მოწოდებული სითბო გადაიქცეს სამუშაოში, არ უნდა მოხდეს შინაგანი ენერგიის შეწოვა ეს, სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, გაზი უნდა გაიაროს იზოთერმული პროცესი, ანუ პროცესი, რომელიც ხდება ტემპერატურაზე მუდმივი

რაფაელ ჰელერბროკის მიერ
ფიზიკის მასწავლებელი