กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์

THE ก่อนกฎหมายให้อุณหพลศาสตร์ เป็นแอพพลิเคชั่นของ หลักการให้การอนุรักษ์ให้พลังงาน สำหรับระบบเทอร์โมไดนามิกส์ ตามกฎหมายนี้ ความผันแปรของ กำลังภายใน ของระบบอุณหพลศาสตร์คือความแตกต่างระหว่างปริมาณของ ความร้อน ดูดซับโดยระบบและงานที่ทำโดยมัน

ดูยัง:แนวคิดพื้นฐานและบทสรุปของThermology

กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์คืออะไร?

กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์เป็นผลโดยตรงจากหลักการอนุรักษ์พลังงาน ตามหลักการนี้ พลังงานทั้งหมดของระบบคงที่เสมอเพราะเธอไม่ได้หลงทางแต่กลับเปลี่ยนไป

ภายในขอบเขตของ อุณหพลศาสตร์, ถูกใช้ ความคิดที่เฉพาะเจาะจงมากขึ้น และทั่วไปน้อยกว่าที่ใช้ในหลักการอนุรักษ์พลังงาน ในกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ เราใช้แนวคิดเช่น พลังงานภายใน,ความร้อน และ งานซึ่งเกี่ยวข้องกับขอบเขตของ เครื่องทำความร้อน (การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีที่มีความสำคัญขั้นพื้นฐานสำหรับอุณหพลศาสตร์)

เครื่องยนต์ไอน้ำทำงานตามกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์
เครื่องยนต์ไอน้ำทำงานตามกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์

ลองนึกภาพเครื่องจักรที่ใช้พลังงานไอน้ำ เมื่อสารทำงานของเครื่องนั้น (ไอน้ำ) ได้รับความร้อนจากแหล่งภายนอก การแปลงพลังงานสองแบบเป็นไปได้: ไอน้ำสามารถมีได้ในตัวเอง อุณหภูมิ เพิ่มขึ้นไม่กี่องศาหรือแม้กระทั่งสามารถ ขยาย และเคลื่อนลูกสูบของเครื่องจักรนั้น ส่งผลให้ งาน.

"ความแปรผันของพลังงานภายในของระบบอุณหพลศาสตร์สอดคล้องกับความแตกต่างระหว่างปริมาณความร้อนที่ดูดซับและปริมาณงานที่ระบบนี้ทำ"

สูตรของกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์

สูตรที่ใช้อธิบายกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ทางคณิตศาสตร์แสดงไว้ด้านล่าง:

ยู – ความแปรผันของพลังงานภายใน (cal หรือ J)

คิว – ความร้อน (มะนาวหรือเจ)

τ – งาน (มะนาวหรือเจ)

ในการใช้สูตรนี้ เราต้องใส่ใจกับกฎสัญญาณบางประการ:

  • ΔU – จะเป็นบวกหากอุณหภูมิของระบบเพิ่มขึ้น

  • ΔU – จะเป็นลบหากอุณหภูมิของระบบลดลง

  • คิว – จะเป็นบวกหากระบบดูดซับความร้อนจากสภาพแวดล้อมภายนอก

  • คิว – จะเป็นลบ หากระบบให้ความร้อนกับสภาพแวดล้อมภายนอก

  • τ – มันจะเป็นบวกถ้าระบบขยายการทำงานในสภาพแวดล้อมภายนอก

  • τ – จะเป็นลบหากระบบทำสัญญารับงานจากสภาพแวดล้อมภายนอก

การเปลี่ยนแปลงพลังงานภายใน internal

คำว่า ΔU หมายถึง การเปลี่ยนแปลงพลังงานที่เกิดจาก พลังงานจลน์ ของอนุภาคที่เป็นส่วนประกอบของระบบ ในกรณีของก๊าซในอุดมคติ อาจกล่าวได้ว่า ΔU เทียบเท่ากับ:

ไม่ – จำนวนโมล (โมล)

R – ค่าคงที่สากลของก๊าซในอุดมคติ (0.082 atm.l/mol. K หรือ 8.31 จูล/โมล เค)

ตู่ – อุณหภูมิสัมบูรณ์ (เคลวิน)

จากการวิเคราะห์สูตรจะเห็นได้ว่าหากไม่มีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิในระบบก็จะเป็น กำลังภายใน จะยังคงไม่เปลี่ยนแปลง นอกจากนี้ สิ่งสำคัญคือต้องกล่าวว่าสำหรับเครื่องจักรความร้อนซึ่งทำงานเป็นรอบ ความแปรผันของพลังงานภายในเมื่อสิ้นสุดแต่ละรอบจะต้องเป็นโมฆะเพราะเมื่อถึงจุดนั้น เครื่องยนต์จะกลับสู่การทำงานด้วยอุณหภูมิเริ่มต้น

ดูยัง:ประสิทธิภาพของเครื่องระบายความร้อน: คำนวณอย่างไร?

ความร้อน

ต่อไปในเทอมถัดไป Q ซึ่งหมายถึงปริมาณความร้อนที่ถ่ายเทไปยังระบบ เรามักจะใช้ สมการพื้นฐานของการวัดปริมาณความร้อน, แสดงด้านล่าง:

คิว - ความร้อน (มะนาวหรือเจ)

– มวล (g หรือ kg)

– ความร้อนจำเพาะ (cal/gºC หรือ J/kg. เค)

ΔT - ความแปรผันของอุณหภูมิ (เซลเซียสหรือเคลวิน)

งาน

ปริมาณสุดท้ายที่เกี่ยวข้องกับกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์คืองาน (τ) ซึ่งมี สูตรวิเคราะห์เฉพาะสำหรับการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นภายใต้แรงกดดันคงที่หรือที่รู้จัก ชอบ การแปลงไอโซบาริก, ดู:

พี – ความดัน (Pa หรือ atm)

ΔV – การเปลี่ยนแปลงปริมาตร (m³ หรือ l)

เมื่อความดันที่กระทำต่อระบบไม่คงที่ งานสามารถคำนวณได้โดยพื้นที่ของกราฟความดันเทียบกับปริมาตร (P x V) หากต้องการเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับขนาดสเกลาร์นี้ โปรดไปที่: งาน.

แก้ไขแบบฝึกหัด

คำถามที่ 1)(เซเฟตเอ็มจี) งานที่ทำในวัฏจักรความร้อนแบบปิดมีค่าเท่ากับ 100 J และความร้อนที่เกี่ยวข้องกับการแลกเปลี่ยนความร้อนจะเท่ากับ 1,000 J และ 900 J ตามลำดับโดยใช้แหล่งกำเนิดร้อนและเย็น

จากกฎข้อที่หนึ่งของเทอร์โมไดนามิกส์ ความแปรผันของพลังงานภายในในวัฏจักรความร้อนนี้มีหน่วยจูลเท่ากับ

ก) 0

ข) 100

ค) 800

ง) 900

จ) 1,000

ความละเอียด

ทางเลือก

มาแก้แบบฝึกหัดโดยใช้กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ หมายเหตุ:

ตามคำกล่าวนี้ เราถูกขอให้คำนวณความแปรผันของพลังงานภายในในวัฏจักรอุณหพลศาสตร์แบบปิด ซึ่งในกรณีนี้เราจะทราบว่า ความแปรผันของพลังงานภายในจะต้องเป็นศูนย์ เนื่องจากเครื่องจะกลับสู่การทำงานที่อุณหภูมิเดียวกับเมื่อเริ่มต้นรอบ

คำถามที่ 2)(อัพ) ตัวอย่างของก๊าซในอุดมคติจะขยายตัวโดยการเพิ่มปริมาตรเป็นสองเท่าระหว่างการเปลี่ยนแปลงแบบไอโซบาริกและอะเดียแบติก โดยพิจารณาว่าแรงดันที่ก๊าซสัมผัสได้คือ 5.106 Pa และเล่มเริ่มต้น 2.10-5 ลบ.ม. เราสามารถพูดได้ว่า:

ก) ความร้อนที่ก๊าซดูดซับระหว่างกระบวนการคือ 25 แคลอรี

ข) งานที่ทำโดยแก๊สระหว่างการขยายตัวคือ 100 แคลอรี

c) ความแปรผันของพลังงานภายในของก๊าซคือ –100 J

d) อุณหภูมิของแก๊สคงที่

จ) ไม่มีสิ่งใดข้างต้น

ความละเอียด

ทางเลือก ค.

เราจะใช้กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์เพื่อค้นหาทางเลือกที่ถูกต้องโดยใช้ข้อมูลที่ให้ไว้ในคำชี้แจงการฝึกปฏิบัติ:

การคำนวณทำให้เราสามารถสรุปได้ว่าในระหว่างการเปลี่ยนแปลงนี้ ก๊าซจะ "สูญเสีย" พลังงานภายใน 100 จูล
การคำนวณทำให้เราสามารถสรุปได้ว่าในระหว่างการเปลี่ยนแปลงนี้ ก๊าซจะ "สูญเสีย" พลังงานภายใน 100 จูล

คำถามที่ 3)(ว้าว) กระป๋องในครัวประกอบด้วยก๊าซแรงดันสูง เมื่อเราเปิดกระบอกสูบนี้ เราจะสังเกตเห็นว่าก๊าซนั้นไหลออกสู่ชั้นบรรยากาศอย่างรวดเร็ว เนื่องจากกระบวนการนี้รวดเร็วมาก เราจึงถือได้ว่าเป็นกระบวนการอะเดียแบติก

เมื่อพิจารณาว่ากฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ถูกกำหนดโดย ΔU = Q - W โดยที่ ΔU คือการเปลี่ยนแปลงของพลังงาน ภายในแก๊ส Q คือพลังงานที่ถ่ายเทในรูปของความร้อน และ W คืองานที่ทำโดยแก๊ส ซึ่งถูกต้อง ระบุว่า:

ก) แรงดันแก๊สเพิ่มขึ้นและอุณหภูมิลดลง

b) งานที่ทำโดยแก๊สเป็นบวกและอุณหภูมิของแก๊สไม่เปลี่ยนแปลง

c) งานที่ทำโดยแก๊สเป็นบวกและอุณหภูมิของแก๊สลดลง

d) แรงดันแก๊สเพิ่มขึ้นและงานที่ทำเป็นลบ

ความละเอียด

ทางเลือก ค.

เมื่อปริมาตรของแก๊สเพิ่มขึ้น เราบอกว่างานที่ทำไปนั้นเป็นไปในทางบวก กล่าวคือ ตัวแก๊สเองก็ทำงานในสภาพแวดล้อมภายนอก นอกจากนี้ เนื่องจากกระบวนการเกิดขึ้นเร็วมาก จึงไม่มีเวลาให้ก๊าซแลกเปลี่ยนความร้อนกับสิ่งแวดล้อม จึงเกิดสิ่งต่อไปนี้ขึ้น:

จากการคำนวณพลังงานภายในของก๊าซจะลดลงตามปริมาณที่เท่ากับงานที่ทำ โดยก๊าซ นอกจากนี้ เนื่องจากพลังงานภายในของก๊าซลดลง จึงมีการลดลงของ gas อุณหภูมิ.

คำถามที่ 4)(อูเดซ) ในห้องปฏิบัติการฟิสิกส์ การทดลองจะดำเนินการกับก๊าซ ซึ่งเพื่อวัตถุประสงค์ในการวิเคราะห์ทางอุณหพลศาสตร์ ถือได้ว่าเป็นก๊าซในอุดมคติ จากการวิเคราะห์หนึ่งในการทดลองซึ่งก๊าซอยู่ภายใต้กระบวนการทางอุณหพลศาสตร์ สรุปได้ว่าความร้อนทั้งหมดที่จ่ายให้กับแก๊สถูกแปลงเป็นงาน

ทำเครื่องหมายทางเลือกที่แสดงถึง อย่างถูกต้อง กระบวนการทางอุณหพลศาสตร์ที่ทำในการทดลอง

ก) กระบวนการไอโซโวลูเมทริก

b) กระบวนการไอโซเทอร์มอล

c) กระบวนการไอโซบาริก

d) กระบวนการอะเดียแบติก

e) กระบวนการประกอบ: isobaric และ isovolumetric

ความละเอียด

ทางเลือกข.

สำหรับความร้อนทั้งหมดที่จ่ายให้กับก๊าซเพื่อแปลงเป็นงานจะต้องไม่มีการดูดซับพลังงานภายในโดย กล่าวอีกนัยหนึ่งคือก๊าซต้องผ่านกระบวนการไอโซเทอร์มอล นั่นคือ กระบวนการที่เกิดขึ้นที่อุณหภูมิ ค่าคงที่

โดย Rafael Hellerbrock
ครูฟิสิกส์

ที่มา: โรงเรียนบราซิล - https://brasilescola.uol.com.br/fisica/primeira-lei-da-termodinamica.htm

วาฬหลังค่อม (Megaptera novaeangliae)

ราชอาณาจักร สัตว์ไฟลัม คอร์ดดาต้าคลาส แมมมาเลียใบสั่ง เซตาเซียครอบครัว Balaenopteridaeเพศ Megapte...

read more
จุดกึ่งกลางของเส้นตรง

จุดกึ่งกลางของเส้นตรง

โอ เซ็กเมนต์ในตรง มีจุดเรียงชิดกันมากมาย แต่มีจุดเดียวที่แบ่ง เซ็กเมนต์ ในสองส่วนเท่าๆ กัน การระบ...

read more
พื้นที่ของแข็งเรขาคณิต

พื้นที่ของแข็งเรขาคณิต

THE พื้นที่ หนึ่ง แข็งเรขาคณิต หาได้จากผลรวมของพื้นที่ของรูปเรขาคณิตแต่ละรูปที่ประกอบขึ้น ตัวอย่า...

read more