Første lov om termodynamik: Definition & eksempel

Termodynamikens love er nogle af de vigtigste love i hele fysik, og det at forstå, hvordan man anvender hver enkelt, er en afgørende færdighed for enhver fysikstuderende.

Den første lov om termodynamik er i det væsentlige en erklæring om energibesparelse, men der er mange anvendelser til denne specifikke formulering, som du bliver nødt til at forstå, hvis du vil løse problemer, der involverer ting som varmemotorer.

Læring hvad adiabatiske, isobariske, isochoriske og isotermiske processer er, og hvordan man anvender den første lov om termodynamik i disse situationer, hjælper dig med matematisk at beskrive opførelsen af et termodynamisk system, når det udvikler sig i tiden.
Intern energi, arbejde og varme

Termodynamikens første lov - ligesom termodynamikkens andre love - kræver forståelse af nogle nøglebegreber. et systems interne energi
er et mål for den samlede kinetiske energi og potentielle energi i et isoleret molekylsystem; intuitivt kvantificerer dette bare mængden af energi indeholdt i systemet.

Termodynamisk arbejde
er mængden af arbejde et system udfører på miljøet, for eksempel ved den varmeinducerede udvidelse af en gas, der skubber et stempel udad. Dette er et eksempel på, hvordan varmeenergi i en termodynamisk proces kan konverteres til mekanisk energi, og det er kerneprincippet bag driften af mange motorer.

Til gengæld varme
eller < em> termisk energi
er den termodynamiske energioverførsel mellem to systemer. Når to termodynamiske systemer er i kontakt (ikke adskilt af en isolator) og er ved forskellige temperaturer, sker der varmeoverførsel på denne måde fra det varmere legeme mod det koldere. Alle disse tre mængder er energiformer og måles således i joule.
Den første lov om termodynamik

Den første lov om termodynamik siger, at varmen, der tilføjes til systemet tilføjer til dens indre energi, mens det arbejde, der udføres af systemet, reducerer den interne energi. I symboler bruger du ∆U
til at betegne ændringen i intern energi, Q
til at stå for varmeoverførsel og W
til det arbejde, der udføres af systemet, og så den første lov om termodynamik er:
∆U \u003d Q - W

Den første lov om termodynamik relaterer derfor systemets indre energi til to former for energioverførsel, der kan finde sted, og som sådan er det bedst tænkt af som en erklæring om loven om bevarelse af energi.

Eventuelle ændringer i systemets indre energi kommer enten fra varmeoverførsel eller udført arbejde, med varmeoverførsel til systemet og arbejde gjort på systemet og øger den interne energi og varmeoverførslen fra systemet og arbejdet ved at det reducerer den interne energi. Selve udtrykket er let at bruge og forstå, men at finde gyldige udtryk for varmeoverførslen og arbejde, der er gjort for at bruge i ligningen, kan i nogle tilfælde være udfordrende.
Eksempel på den første lov om termodynamik

motorer er en almindelig type termodynamisk system, der kan bruges til at forstå det grundlæggende i den første termodynamiske lov. Varmemotorer omdanner i det væsentlige varmeoverførsel til brugbart arbejde gennem en fire-trins proces, der involverer varme, der føjes til et reservoir af gas for at øge dens tryk, det ekspanderer i volumen som et resultat, trykket reduceres, når varmen udvindes fra gassen og til sidst gassen komprimeres (dvs. reduceres i volumen), når der arbejdes på den for at bringe den tilbage til systemets oprindelige tilstand og starte processen igen.

Det samme system er ofte idealiseret som et < em> Carnot-cyklus
, hvor alle processer er reversible og ikke indebærer nogen ændring i entropi, med et isotermisk stadium (dvs. ved den samme temperatur) ekspansion, et trin af adiabatisk ekspansion (uden varmeoverførsel), et stadie med isotermisk kompression og et trin med adiabatisk komprimering for at bringe den tilbage til den oprindelige tilstand.

Begge disse processer (den idealiserede Carnot-cyklus og varmemotorkredsløbet) er normalt afbildet på en PV
diagram (også kaldet et tryk-volumen plot), og t disse to mængder hænger sammen med den ideelle gaslov, som siger:
PV \u003d nRT

Hvor P
\u003d tryk, V
\u003d volumen, n
\u003d antallet af mol af gassen, R
\u003d den universelle gaskonstant \u003d 8.314 J mol ^{−1 K −1 og T
\u003d temperatur. I kombination med den første termodynamiklov kan denne lov bruges til at beskrive stadierne i en varmemotorcyklus. Et andet nyttigt udtryk giver den indre energi U
til en ideel gas:
U \u003d \\ frac {3} {2} nRT Varmemotorkredsløbet}

En enkel tilgang til analyse af varmen motorcyklus er at forestille sig processen, der finder sted på en lige-sidet kasse i PV
plot, hvor hvert trin enten finder sted ved et konstant tryk (en isobarisk proces) eller et konstant volumen (en isokorisk proces) .

Først fra V
_{1 tilføjes varme, og trykket stiger fra P
1 til P
2, og da lydstyrken forbliver konstant, ved du, at det udførte arbejde er nul. For at tackle dette trin i problemet fremstiller du to versioner af den ideelle gaslov til den første og anden tilstand (husk at V
og n
er konstant): P
1 V
1 \u003d nRT
1 og P
2 V> 1 \u003d nRT
2, og træk derefter den første fra den anden for at få:
V_1 (P_2-P_1) \u003d nR (T_2 -T_1)}

Løsning for ændringen i temperatur giver:
(T_2 - T_1) \u003d \\ frac {V_1 (P_2 - P_1)} {nR}

Hvis du ser efter ændringen i intern energi, kan du derefter indsætte dette i udtrykket for intern energi < em> U
for at få:
\\ begynde {justeret} ∆U & \u003d \\ frac {3} {2} nR∆T \\\\ \\\\ & \u003d \\ frac {3} {2} nR \\ bigg ( \\ frac {V_1 (P_2 - P_1)} {nR} \\ bigg) \\\\ \\\\ & \u003d \\ frac {3} {2} V_1 (P_2-P_1) \\ slutning {justeret}

For den anden fase i cyklus, gasens volumen udvides (og så gassen fungerer), og der tilføjes mere varme i processen (for at opretholde en konstant temperatur). I dette tilfælde er arbejdet W og udført af gassen simpelthen ændringen i volumen ganget med trykket P
_{2, hvilket giver:
W \u003d P_2 (V_2 -V_1)}

Og ændringen i temperatur findes med den ideelle gaslov som før (bortset fra at holde P
_{2 som en konstant og huske, at lydstyrken ændrer sig), at være:
T_2 - T_1 \u003d \\ frac {P_2 (V_2 - V_1)} {nR}}

Hvis du vil finde ud af den nøjagtige mængde varme, der er tilføjet, kan du bruge den specifikke varmeekvation ved et konstant tryk for at finde det. Du kan dog direkte beregne systemets interne energi på dette tidspunkt som før:
\\ begynde {justeret} ∆U & \u003d \\ frac {3} {2} nR∆T \\\\ \\\\ & \u003d \\ frac { 3} {2} nR \\ bigg (\\ frac {P_2 (V_2 - V_1)} {nR} \\ bigg) \\\\ \\\\ & \u003d \\ frac {3} {2} P_2 (V_2 - V_1) \\ ende {justeret}

Det tredje trin er i det væsentlige det modsatte af det første trin, så trykket falder ved et konstant volumen (denne gang V
_{2), og varme udvindes fra gassen. Du kan arbejde gennem den samme proces baseret på den ideelle gaslov og ligningen for systemets interne energi for at få:
∆U \u003d - \\ frac {3} {2} V_2 (P_2 - P_1)}

Bemærk det førende minustegn denne gang, fordi temperaturen (og derfor energien) er faldet.

Endelig ser det sidste trin lydstyrken falde, efterhånden som der udføres arbejde på gas og varme, der udvindes i en isobarisk proces, hvilket producerer et meget lignende udtryk som sidste gang for arbejdet, undtagen med et førende minustegn:
W \u003d -P_1 (V_2 -V_1)

Den samme beregning giver ændringen i intern energi som:
∆U \u003d - \\ frac {3} {2} P_1 (V_2 - V_1) Andre love for termodynamik

Den første lov om termodynamik er uden tvivl den mest praktisk anvendelige for en fysiker, men de andre tre store love er et kort værd nævne også (selvom de er beskrevet mere detaljeret i andre artikler). Termodynamikens nullov hedder, at hvis system A er i termisk ligevægt med system B, og system B er i ligevægt med system C, så er system A i ligevægt med system C.

Den anden lov om termodynamik hedder at entropien til ethvert lukket system har en tendens til at stige.

Endelig hedder den tredje lov om termodynamik, at entropien til et system nærmer sig en konstant værdi, når temperaturen nærmer sig absolut nul.