TEN PierwszyPrawodajeTermodynamika jest aplikacją zasadadajeochronadajeenergia dla układów termodynamicznych. Zgodnie z tym prawem, zmienność energia wewnętrzna układu termodynamicznego to różnica między ilością ciepło wchłoniętych przez system i wykonanej przez niego pracy.
Popatrzrównież:Podstawowe pojęcia i podsumowanie termologii
Jakie jest pierwsze prawo termodynamiki?
Pierwsza zasada termodynamiki jest bezpośrednią konsekwencją zasady zachowania energii. Zgodnie z tą zasadą całkowita energia systemuzawsze pozostaje stały, ponieważ nie jest zagubiona, ale przemieniona.
W zakresie Termodynamika, są używane bardziej szczegółowe pojęcia i mniej ogólne niż te stosowane w zasadzie oszczędzania energii. W pierwszej zasadzie termodynamiki używamy pojęć takich jak energiawewnętrzny,ciepło i praca, które są istotne dla zakresu Maszyny termiczne (zastosowania technologiczne o fundamentalnym znaczeniu dla termodynamiki).
Wyobraźmy sobie maszynę parową, gdy płyn roboczy tej maszyny (para wodna) otrzymuje ciepło z zewnętrznego źródła, możliwe są dwie konwersje energii: para może mieć własną
temperatura zwiększona o kilka stopni, a nawet może rozszerzać i poruszaj tłokami tej maszyny, wykonując w ten sposób pewną ilość praca.„Zmiana energii wewnętrznej układu termodynamicznego odpowiada różnicy między ilością pochłoniętego przez niego ciepła a ilością pracy, którą wykonuje ten układ”.
Formuła Pierwszej Zasady Termodynamiki
Wzór użyty do matematycznego opisu Pierwszej Zasady Termodynamiki pokazano poniżej:
U – wewnętrzna zmienność energii (cal lub J)
Q – ciepło (limonka lub J)
τ – praca (limonka lub J)
Aby skorzystać z tej formuły, musimy zwrócić uwagę na kilka zasad dotyczących sygnałów:
U – będzie dodatnia, jeśli temperatura systemu wzrośnie;
U – będzie ujemna, jeśli temperatura systemu spadnie;
Q – będzie dodatnia, jeśli system będzie pobierał ciepło ze środowiska zewnętrznego;
Q – będzie ujemna, jeśli system odda ciepło do środowiska zewnętrznego;
τ – będzie pozytywne, jeśli system się rozwinie, wykonując prace w środowisku zewnętrznym;
τ – będzie to negatywne, jeśli system będzie się kurczył, otrzymując pracę ze środowiska zewnętrznego.
wewnętrzna zmienność energii
Termin ΔU odnosi się do zmiany energii przypisanej do energia kinetyczna cząstek składowych układu, w przypadku gazu doskonałego, można powiedzieć, że ΔU jest równoważne:
Nie – liczba moli (mol)
R – uniwersalna stała gazów doskonałych (0,082 atm.l/mol. K lub 8,31 J/mol. K)
T – temperatura bezwzględna (kelwiny)
Analizując wzory, można zauważyć, że jeśli w układzie nie ma zmiany temperatury, jej energia wewnętrzna również pozostaną niezmienione. Ponadto ważne jest, aby powiedzieć, że dla maszyn termicznych, które pracują w cyklach, zmiana energii wewnętrznej na koniec każdego cyklu musi być zerowa, ponieważ w tym momencie silnik wraca do pracy z początkową temperaturą.
Popatrzrównież:Wydajność maszyn cieplnych: jak jest obliczana?
Ciepło
Przechodząc do następnego terminu, Q, który odnosi się do ilości ciepła przekazanego do systemu, zwykle używamy podstawowe równanie kalorymetrii, pokazane poniżej:
Q -ciepło (limonka lub J)
m – masa (g lub kg)
do – ciepło właściwe (cal/gºC lub J/kg. K)
T – wahania temperatury (stopnie Celsjusza lub kelwiny)
Praca
Ostatnią z wielkości związanych z I Zasadą Termodynamiki jest praca (τ), która ma wzór analityczny tylko dla przekształceń zachodzących pod stałym ciśnieniem, również znany lubić przekształcenia izobaryczne, zegarek:
P – ciśnienie (Pa lub atm)
V – zmiana objętości (m³ lub l)
Gdy ciśnienie wywierane na układ nie jest stałe, pracę można obliczyć na podstawie obszaru wykresu ciśnienia w funkcji objętości (P x V). Aby dowiedzieć się więcej o tej wielkości skalarnej, odwiedź: praca.
rozwiązane ćwiczenia
Pytanie 1)(CefetMG) Praca wykonywana w zamkniętym obiegu cieplnym wynosi 100 J, a ciepło uczestniczące w wymianie cieplnej wynosi odpowiednio 1000 J i 900 J przy źródłach ciepła i zimna.
Z Pierwszej Zasady Termodynamiki zmienność energii wewnętrznej w tym cyklu termicznym, w dżulach, wynosi
a) 0
b) 100
c) 800
d) 900
e) 1000
Rozkład
Alternatywa
Rozwiążmy ćwiczenie używając Pierwszej Zasady Termodynamiki, zauważ:
Zgodnie z oświadczeniem jesteśmy proszeni o obliczenie zmienności energii wewnętrznej w zamkniętym cyklu termodynamicznym, w którym to przypadku wiemy, że wewnętrzna zmienność energii musi wynosić zero, ponieważ maszyna powróci do pracy w tej samej temperaturze, co na początku cyklu.
Pytanie 2)(Upf) Próbka gazu doskonałego rozszerza się poprzez podwojenie swojej objętości podczas transformacji izobarycznej i adiabatycznej. Biorąc pod uwagę, że ciśnienie odczuwane przez gaz wynosi 5,106 Pa i jego początkowa objętość 2,10-5 m³ możemy powiedzieć:
a) Ciepło pochłaniane przez gaz podczas procesu wynosi 25 cal.
b) Praca wykonana przez gaz podczas jego rozprężania wynosi 100 cal.
c) Zmienność energii wewnętrznej gazu wynosi –100 J.
d) Temperatura gazu pozostaje stała.
e) Żadne z powyższych.
Rozkład
Alternatywa do.
Korzystając z informacji podanych w instrukcji ćwiczenia, użyjemy Pierwszej Zasady Termodynamiki, aby znaleźć właściwą alternatywę:
Pytanie 3)(łał) Kanister kuchenny zawiera gaz pod wysokim ciśnieniem. Kiedy otwieramy ten cylinder, zauważamy, że gaz szybko ucieka do atmosfery. Ponieważ proces ten jest bardzo szybki, możemy uznać go za proces adiabatyczny.
Biorąc pod uwagę, że Pierwsza Zasada Termodynamiki jest dana przez ΔU = Q - W, gdzie ΔU jest zmianą energii wewnątrz gazu, Q to energia przekazywana w postaci ciepła, a W to praca wykonana przez gaz, to prawda stwierdzić, że:
a) Ciśnienie gazu wzrosło, a temperatura spadła.
b) Praca wykonana przez gaz była dodatnia, a temperatura gazu nie uległa zmianie.
c) Praca wykonana przez gaz była dodatnia, a temperatura gazu spadła.
d) Ciśnienie gazu wzrosło, a wykonana praca była ujemna.
Rozkład
Alternatywa do.
Gdy objętość gazu wzrośnie, mówimy, że wykonana praca była dodatnia, to znaczy sam gaz wykonał pracę na środowisku zewnętrznym. Ponadto, ponieważ proces przebiega bardzo szybko, gaz nie ma czasu na wymianę ciepła z otoczeniem, więc następuje:
Zgodnie z obliczeniami energia wewnętrzna gazu zmniejsza się o ilość równą wykonanej pracy. przez gaz, ponadto, ponieważ następuje spadek energii wewnętrznej gazu, następuje również spadek temperatura.
Pytanie 4)(Udesc) W laboratorium fizycznym eksperymenty przeprowadza się z gazem, który dla celów analizy termodynamicznej można uznać za gaz doskonały. Z analizy jednego z eksperymentów, w którym gaz został poddany procesowi termodynamicznemu, wywnioskowano, że całe ciepło dostarczane do gazu zostało zamienione na pracę.
Sprawdź alternatywę, która reprezentuje prawidłowo proces termodynamiczny przeprowadzony w eksperymencie.
a) proces izowolumetryczny
b) proces izotermiczny
c) proces izobaryczny
d) proces adiabatyczny
e) proces złożony: izobaryczny i izowolumetryczny
Rozkład
Alternatywa b.
Aby całe ciepło dostarczane do gazu zostało zamienione na pracę, nie może nastąpić absorpcja energii wewnętrznej przez to innymi słowy, gaz musi przejść przez proces izotermiczny, czyli proces, który zachodzi w temperaturze stały.
Rafael Hellerbrock
Nauczyciel fizyki
Źródło: Brazylia Szkoła - https://brasilescola.uol.com.br/fisica/primeira-lei-da-termodinamica.htm
