THE PrimulLegedăTermodinamica este o aplicație a principiudăconservaredăenergie pentru sistemele termodinamice. Conform acestei legi, variația de energie interna a unui sistem termodinamic este diferența dintre cantitatea de căldură absorbit de sistem și de munca depusă de acesta.
Uitede asemenea:Concepte fundamentale și rezumat al termologiei
Care este prima lege a termodinamicii?
Prima lege a termodinamicii este o consecință directă a principiului conservării energiei. Conform acestui principiu, energia totală a unui sistemrămâne mereu constantă, din moment ce nu este pierdută, ci transformată.
În cadrul domeniului Termodinamica, sunt utilizate noțiuni mai specifice și mai puțin generice decât cele utilizate în principiul conservării energiei. În Prima lege a termodinamicii, folosim concepte precum energieintern,căldură și muncă, care sunt relevante pentru domeniul de aplicare al Mașini termice (aplicații tehnologice de importanță fundamentală pentru termodinamică).
Imaginați-vă o mașină alimentată cu abur, când fluidul de lucru al acelei mașini (vapori de apă) primește căldură de la o sursă externă, sunt posibile două conversii de energie: aburul poate avea propria sa temperatura crescut cu câteva grade sau, chiar, se poate extinde și deplasați pistoanele mașinii respective, realizând astfel o anumită cantitate de muncă.
"Variația energiei interne a unui sistem termodinamic corespunde diferenței dintre cantitatea de căldură absorbită de acesta și cantitatea de muncă pe care o efectuează acest sistem."
Formula primei legi a termodinamicii
Formula utilizată pentru a descrie matematic prima lege a termodinamicii este prezentată mai jos:
U - variația energiei interne (cal sau J)
Î - căldură (var sau J)
τ - munca (var sau J)
Pentru a utiliza această formulă, trebuie să fim atenți la câteva reguli de semnal:
ΔU - va fi pozitiv dacă temperatura sistemului crește;
ΔU - va fi negativ dacă temperatura sistemului scade;
Î - va fi pozitiv dacă sistemul absoarbe căldura din mediul extern;
Î - va fi negativ, dacă sistemul dă căldură mediului extern;
τ – va fi pozitiv dacă sistemul se extinde, efectuând lucrări asupra mediului extern;
τ – va fi negativ dacă sistemul se contractă, primind muncă din mediul extern.
variația energiei interne
Termenul ΔU se referă la schimbarea de energie atribuită energie kinetică din particulele constitutive ale sistemului, în cazul unui gaz ideal, se poate spune că ΔU este echivalent cu:
Nu - numărul de moli (mol)
R - constanta universală a gazelor ideale (0,082 atm.l / mol. K sau 8,31 J / mol. K)
T - temperatura absolută (kelvin)
Analizând formulele, se poate observa că, dacă nu există schimbări de temperatură în sistem, este energie interna va rămâne, de asemenea, neschimbată. În plus, este important să spunem că pentru mașinile termice, care funcționează în cicluri, variația energiei interne, la sfârșitul fiecărui ciclu, trebuie să fie nulă, deoarece în acel moment, motorul revine la funcționare cu temperatura inițială.
Uitede asemenea:Performanța mașinilor termice: cum se calculează?
Căldură
Trecând la următorul termen, Q, care se referă la cantitatea de căldură transferată sistemului, de obicei folosim ecuația fundamentală a calorimetriei, prezentat mai jos:
Î -căldură (var sau J)
m - masa (g sau kg)
ç - căldură specifică (cal / gºC sau J / kg. K)
ΔT - variația temperaturii (celsius sau kelvin)
Muncă
Ultima cantitate legată de prima lege a termodinamicii este munca (τ), care are un formula analitică numai pentru transformările care apar sub presiune constantă, cunoscută și ea ca transformări izobarice, ceas:
P - presiune (Pa sau atm)
ΔV - variația volumului (m³ sau l)
Când presiunea exercitată asupra sistemului nu este constantă, munca poate fi calculată prin aria graficului presiunii versus volum (P x V). Pentru a afla mai multe despre această magnitudine scalară, vizitați: muncă.
exerciții rezolvate
Intrebarea 1)(CefetMG) Lucrarea efectuată într-un ciclu termic închis este egală cu 100 J, iar căldura implicată în schimburile termice este egală cu 1000 J și, respectiv, 900 J, cu surse calde și reci.
Din prima lege a termodinamicii, variația energiei interne în acest ciclu termic, în jouli, este
a) 0
b) 100
c) 800
d) 900
e) 1000
Rezoluţie
Alternativa a.
Să rezolvăm exercițiul folosind Prima Lege a Termodinamicii, rețineți:
Conform afirmației, ni se cere să calculăm variația energiei interne într-un ciclu termodinamic închis, caz în care știm că Variația internă a energiei trebuie să fie zero, deoarece mașina va reveni la funcționarea la aceeași temperatură ca la începutul ciclului.
Intrebarea 2)(Upf) Un eșantion de gaz ideal se extinde prin dublarea volumului său în timpul unei transformări izobarice și adiabatice. Având în vedere că presiunea experimentată de gaz este de 5,106 Pa și volumul său inițial 2.10-5 m³, putem spune:
a) Căldura absorbită de gaz în timpul procesului este de 25 cal.
b) Munca efectuată de gaz în timpul expansiunii sale este de 100 cal.
c) Variația energiei interne a gazului este de –100 J.
d) Temperatura gazului rămâne constantă.
e) Niciuna dintre cele de mai sus.
Rezoluţie
Alternativa c.
Folosind informațiile furnizate de declarația exercițiului, vom folosi Prima Lege a Termodinamicii pentru a găsi alternativa corectă:
Întrebarea 3)(Wow) Un recipient de bucătărie conține gaz de înaltă presiune. Când deschidem acest cilindru, observăm că gazul scapă rapid în atmosferă. Deoarece acest proces este foarte rapid, îl putem considera un proces adiabatic.
Având în vedere că Prima lege a termodinamicii este dată de ΔU = Q - W, unde ΔU este schimbarea energiei în interiorul gazului, Q este energia transferată sub formă de căldură și W este munca efectuată de gaz, acest lucru este corect afirmă că:
a) Presiunea gazului a crescut și temperatura a scăzut.
b) Munca efectuată de gaz a fost pozitivă și temperatura gazului nu s-a modificat.
c) Munca efectuată de gaz a fost pozitivă și temperatura gazului a scăzut.
d) Presiunea gazului a crescut, iar lucrările efectuate au fost negative.
Rezoluţie
Alternativa c.
Odată ce volumul de gaz se extinde, spunem că lucrarea efectuată a fost pozitivă, adică gazul în sine a efectuat lucrări pe mediul extern. În plus, deoarece procesul are loc foarte repede, nu există timp pentru ca gazul să schimbe căldura cu împrejurimile, deci se întâmplă următoarele:
Conform calculului, energia internă a gazului scade cu o cantitate egală cu munca depusă. în plus, deoarece există o scădere a energiei interne a gazului, există și o scădere a gazului temperatura.
Întrebarea 4)(Udesc) Într-un laborator de fizică, experimentele sunt efectuate cu un gaz care, în scopuri de analiză termodinamică, poate fi considerat un gaz ideal. Din analiza unuia dintre experimente, în care gazul a fost supus unui proces termodinamic, s-a ajuns la concluzia că toată căldura furnizată gazului a fost transformată în lucru.
Bifați alternativa care reprezintă corect procesul termodinamic realizat în experiment.
a) proces izovolumetric
b) proces izotermic
c) procesul izobaric
d) proces adiabatic
e) proces compozit: izobaric și izovolumetric
Rezoluţie
Alternativa b.
Pentru ca toată căldura furnizată unui gaz să fie transformată în lucru, nu trebuie să existe o absorbție a energiei interne de către cu alte cuvinte, gazul trebuie să treacă printr-un proces izotermic, adică un proces care are loc la temperatură constant.
De Rafael Hellerbrock
Profesor de fizică
Sursă: Școala din Brazilia - https://brasilescola.uol.com.br/fisica/primeira-lei-da-termodinamica.htm
