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)
ลองนึกภาพเครื่องจักรที่ใช้พลังงานไอน้ำ เมื่อสารทำงานของเครื่องนั้น (ไอน้ำ) ได้รับความร้อนจากแหล่งภายนอก การแปลงพลังงานสองแบบเป็นไปได้: ไอน้ำสามารถมีได้ในตัวเอง อุณหภูมิ เพิ่มขึ้นไม่กี่องศาหรือแม้กระทั่งสามารถ ขยาย และเคลื่อนลูกสูบของเครื่องจักรนั้น ส่งผลให้ งาน.
"ความแปรผันของพลังงานภายในของระบบอุณหพลศาสตร์สอดคล้องกับความแตกต่างระหว่างปริมาณความร้อนที่ดูดซับและปริมาณงานที่ระบบนี้ทำ"
อย่าเพิ่งหยุด... มีมากขึ้นหลังจากโฆษณา ;)
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 สมการพื้นฐานของแคลอริเมทรี, แสดงด้านล่าง:
คิว - ความร้อน (มะนาวหรือเจ)
ม – มวล (g หรือ kg)
ค – 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:
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
