Undang -undang pertama formula termodinamik, persamaan, contoh

The Undang -undang termodinamik pertama menyatakan bahawa apa -apa perubahan yang dialami oleh tenaga sistem berasal dari kerja mekanikal yang dilakukan, ditambah dengan haba yang ditukar dengan persekitaran. Sama ada mereka berehat atau bergerak, objek (sistem) mempunyai tenaga yang pelbagai, yang boleh diubah dari satu kelas ke kelas yang lain melalui beberapa jenis proses.

Sekiranya sistem berada dalam kesunyian makmal dan tenaga mekanikalnya adalah 0, ia masih mempunyai tenaga dalaman, kerana zarah -zarah yang mengarangnya terus mengalami pergerakan rawak.

Rajah 1. Enjin pembakaran dalaman menggunakan undang -undang termodinamik pertama untuk menghasilkan kerja. Sumber: Pixabay.

Pergerakan rawak zarah, bersama -sama dengan interaksi elektrik dan dalam beberapa kes nuklear.

Terdapat beberapa cara untuk membuat perubahan ini berlaku:

- Yang pertama adalah bahawa sistem bertukar panas dengan persekitaran. Ini berlaku apabila terdapat perbezaan suhu antara kedua -dua. Kemudian hangat menghasilkan haba - cara memindahkan tenaga - ke yang paling sejuk, sehingga kedua -dua suhu disamakan, mencapai keseimbangan haba.

- Dengan menjalankan kerja, sama ada sistem dijalankan, atau ejen luaran melakukannya pada sistem.

- Menambah jisim ke sistem (jisim sama dengan tenaga).

Biarkan anda tenaga dalaman, baki akan menjadi Δu = u akhir - u awal, jadi mudah untuk memberikan tanda -tanda, yang menurut kriteria iUpac (Kesatuan Antarabangsa Kimia Tulen dan Gunaan) adalah:

- Q dan W positif (+), apabila sistem menerima haba dan kerja dilakukan di atasnya (tenaga dipindahkan).

- Q dan W negatif (-), jika sistem memberikan haba dan berfungsi pada alam sekitar (tenaga berkurangan).

[TOC]

Formula dan persamaan

Undang -undang termodinamik pertama adalah cara lain untuk mengesahkan bahawa tenaga tidak dicipta atau dimusnahkan, tetapi ia berubah dari satu jenis ke yang lain. Dengan berbuat demikian, panas dan kerja akan berlaku, yang boleh digunakan. Matematik menyatakan seperti berikut:

Δu = q + w

Di mana:

- Δu adalah perubahan tenaga sistem yang diberikan oleh: Δu = tenaga akhir - tenaga awal = u_F - Atau_{Sama ada}

- Q adalah pertukaran haba antara sistem dan persekitaran.

- W adalah kerja yang dilakukan pada sistem.

Dalam beberapa teks undang -undang termodinamik pertama dibentangkan seperti ini:

Δu = q - w

Ini tidak bermaksud ada kesalahan atau ada kesalahan. Ini disebabkan oleh fakta bahawa kerja W ditakrifkan sebagai kerja yang dilakukan oleh sistem dan bukannya menggunakan kerja yang dilakukan pada sistem, seperti dalam pendekatan IUPAC.

Dengan kriteria ini, undang -undang termodinamik pertama dinyatakan dengan cara ini:

Apabila jumlah haba dipindahkan ke badan dan ini seterusnya berfungsi dengan kerja, perubahan tenaga dalamannya diberikan oleh δU = Q - W.

Konsisten dengan pilihan tanda -tanda, dan dengan mengambil kira bahawa:

Boleh melayani anda: akhbar hidraulik

W _{Dibuat mengenai sistem} = - w _{dibuat oleh sistem}

Kedua -dua kriteria akan memberikan hasil yang betul.

Pemerhatian penting mengenai undang -undang termodinamik pertama

Kedua -dua haba dan kerja adalah dua cara untuk memindahkan tenaga antara sistem dan persekitarannya. Semua jumlah yang terlibat mempunyai sebagai unit dalam sistem antarabangsa pada bulan Julai atau joule, disingkat j.

Undang -undang termodinamik pertama menawarkan maklumat mengenai perubahan tenaga, bukan nilai mutlak tenaga akhir atau awal. Malah sebahagian daripada mereka boleh diambil sebagai 0, kerana apa yang dikira adalah perbezaan nilai.

Satu lagi kesimpulan penting ialah setiap sistem terpencil mempunyai ΔU = 0, kerana ia tidak dapat bertukar haba dengan alam sekitar, dan tidak ada ejen luaran yang dibenarkan untuk melakukan kerja di atasnya, maka tenaga tetap tetap. Termos untuk menjaga kopi panas adalah pendekatan yang munasabah.

Jadi dalam sistem ΔU terpencil PBB sentiasa berbeza dari 0? Tidak semestinya, ΔU boleh menjadi 0 jika pembolehubahnya, yang biasanya tekanan, suhu, isipadu dan bilangan tahi lalat, melalui kitaran di mana nilai awal dan akhir mereka sama.

Dalam kitaran Carnot sebagai contoh, semua tenaga terma menjadi kerja yang boleh digunakan, kerana ia tidak merenungkan kerugian akibat geseran atau kelikatan.

Bagi anda, tenaga misteri sistem, dia termasuk:

- Tenaga kinetik zarah ketika bergerak dan yang berasal dari getaran dan putaran atom dan molekul.

- Tenaga berpotensi disebabkan oleh interaksi elektrik antara atom dan molekul.

- Interaksi nukleus atom, seperti di pedalaman matahari.

Aplikasi

Undang -undang pertama menetapkan bahawa adalah mungkin untuk menghasilkan haba dan bekerja dengan menjadikan tenaga dalaman perubahan sistem. Salah satu aplikasi yang paling berjaya ialah enjin pembakaran dalaman, di mana jumlah gas tertentu diambil dan pengembangannya digunakan untuk menjalankan pekerjaan. Permohonan lain yang terkenal ialah enjin stim.

Motor biasanya menggunakan kitaran atau proses di mana sistem bermula dari keseimbangan awal keseimbangan ke keadaan akhir yang lain, juga keseimbangan. Ramai di antara mereka berlaku di bawah syarat -syarat yang memudahkan pengiraan kerja dan panas dari undang -undang pertama.

Seterusnya kami membentangkan model mudah yang menggambarkan situasi yang kerap dan sehari -hari. Proses yang paling ilustrasi adalah proses adiabatik, isokorik, isoterma, isoterma, proses trajektori tertutup dan pengembangan percuma. Di dalamnya pembolehubah sistem adalah malar dan akibatnya undang -undang pertama mengamalkan bentuk tertentu.

Proses isokorik

Adalah di mana jumlah sistem tetap tetap. Oleh itu, kerja tidak dilakukan dan menjadi w = 0 kekal:

ΔU = q

Proses Isobárico

Dalam proses ini tekanan tetap berterusan. Kerja yang dilakukan oleh sistem adalah disebabkan perubahan dalam jumlah.

Boleh melayani anda: termometer rintangan: ciri, operasi, kegunaan

Katakan gas terkurung di dalam bekas. Oleh kerana kerja w ditakrifkan sebagai:

W = daya anjakan = f.Δl (sah untuk daya berterusan selari dengan anjakan).

Dan pada gilirannya tekanannya adalah:

P = f /a ⇒ f = p.Ke

Dengan menggantikan daya ini dalam ungkapan kerja, hasilnya:

W = p. Ke. Δl

Tetapi produk itu Ke. Δl Ia bersamaan dengan perubahan dalam jumlah ΔV, meninggalkan kerja seperti ini:

W = p ΔV.

Untuk proses isobaric, undang -undang pertama mengamalkan bentuk:

ΔU = q - p ΔV

Proses Isothermal

Mereka adalah orang yang lulus pada suhu tetap. Ini boleh berlaku dengan meletakkan sistem dengan tangki terma luaran dan membuat pertukaran haba dilakukan dengan perlahan, sehingga suhu tetap.

Sebagai contoh, haba boleh mengalir dari tangki panas ke sistem, membolehkan sistem berfungsi, tanpa variasi dalam ΔU. Jadi:

Q + W = 0

Proses adiabatik

Dalam proses adiabatik tidak ada pemindahan tenaga terma, oleh itu q = 0 dan undang -undang pertama dikurangkan kepada Δu = w. Keadaan ini dapat diberikan dalam sistem terpencil yang baik dan bermakna perubahan tenaga datang dari kerja yang telah dilakukan di atasnya, menurut Konvensyen Tanda -tanda Semasa (IUPAC).

Boleh difikirkan bahawa kerana tidak ada pemindahan tenaga terma, suhu akan tetap malar, tetapi tidak selalu begitu. Menghairankan, pemampatan gas terpencil mengakibatkan peningkatan suhunya, sementara dalam pengembangan adiabatik suhu berkurangan.

Proses trajektori tertutup dan pengembangan percuma

Didalam Proses trajektori tertutup, Sistem ini kembali ke keadaan yang sama pada mulanya, tanpa mengira apa yang berlaku di mata pertengahan. Proses -proses ini disebutkan di atas ketika bercakap mengenai sistem yang tidak diisi.

Di dalamnya ΔU = 0 dan oleh itu q = w atau q = -w mengikut kriteria tanda -tanda yang diterima pakai.

Proses trajektori tertutup sangat penting kerana ia merupakan asas mesin terma seperti mesin stim.

Akhirnya, Pengembangan percuma Ia adalah idealisasi yang dijalankan dalam bekas terpencil termal yang mengandungi gas. Bekas mempunyai dua petak yang dipisahkan oleh partition atau membran dan gas berada di salah satu daripadanya.

Kelantangan bekas tiba -tiba meningkat jika membran dipecahkan dan gas berkembang, tetapi bekas itu tidak mengandungi omboh atau objek lain untuk bergerak. Maka gas tidak berfungsi semasa berkembang dan w = 0. Kerana termal terpencil Q = 0 dan segera disimpulkan bahawa ΔU = 0.

Oleh itu, pengembangan percuma tidak menyebabkan perubahan tenaga gas, tetapi secara paradoks semasa berkembang tidak seimbang.

Contoh

- Proses isokorik biasa adalah pemanasan gas dalam bekas hermetik dan tegar, contohnya periuk tekanan tanpa injap ekzos. Dengan cara ini, jumlahnya tetap berterusan dan jika kita meletakkan bekas seperti itu bersentuhan dengan badan -badan lain, tenaga dalaman gas berubah hanya terima kasih kepada pemindahan haba kerana kenalan ini.

Boleh melayani anda: Haba yang disebut: formula, bagaimana mengira dan diselesaikan latihan

- Mesin terma melakukan kitaran di mana mereka mengambil haba dari deposit terma, membuat hampir segala -galanya menjadi kerja, meninggalkan bahagian untuk operasi mereka sendiri dan haba yang berlebihan mencurahkannya ke dalam tangki yang lebih sejuk, yang biasanya persekitaran.

- Menyediakan sos dalam periuk yang ditemui adalah contoh harian proses isobaric, kerana memasak dilakukan pada tekanan atmosfera dan jumlah salsa berkurangan dari masa ke masa sambil menguap cecair.

- Gas yang ideal di mana proses isoterma berlaku mengekalkan produk tekanan dengan pemalar kelantangan: P. V = malar.

- Metabolisme Haiwan Hot -Blooded membolehkan mereka mengekalkan suhu malar dan menjalankan pelbagai proses biologi, dengan mengorbankan tenaga yang terkandung dalam makanan.

Rajah 2. Atlet, seperti mesin terma, menggunakan bahan bakar untuk melakukan kerja dan berlebihan hilang melalui peluh. Sumber: Pixabay.

Latihan yang diselesaikan

Latihan 1

Gas dimampatkan pada tekanan tetap 0.800 atm, supaya jumlahnya berbeza dari 9.00 l a 2.00 l. Dalam proses gas menghasilkan 400 j tenaga haba. a) Cari kerja yang dilakukan pada gas dan b) Kirakan perubahan tenaga dalamannya.

Penyelesaian untuk)

Dalam proses adiabatik ia dipenuhi P_{Sama ada} = P_F, Kerja yang dilakukan pada gas adalah W = p. ΔV, Seperti yang dijelaskan di bahagian sebelumnya.

Faktor penukaran berikut diperlukan:

1 atm = 101.325 kPa = 101.325 Pa.

1 L = 0.001 m³

Oleh itu: 0.8 atm = 81.060 PA dan δV = 9 - 2 L = 7 L = 0.007 m³

Menggantikan nilai diperoleh:

W = 81060 pa x 0.007 m³ = 567.42 J

Penyelesaian b)

Apabila sistem memberikan haba, ke Q Ia ditugaskan Tanda -jadi undang -undang termodinamik pertama kekal dengan cara ini:

ΔU = -400 J + 567.42 J = 167.42 J.

Latihan 2

Adalah diketahui bahawa tenaga dalaman gas adalah 500 j dan apabila jumlahnya dimampatkan secara adiabatically dalam 100 cm³. Sekiranya tekanan yang digunakan pada gas semasa mampatan adalah 3.00 atm, hitung tenaga dalaman gas selepas mampatan adiabatik.

Penyelesaian

Oleh kerana pernyataan itu memberitahu bahawa mampatan adalah adiabatik, ia dipenuhi bahawa Q = 0 dan ΔU = w, Jadi:

Δu = w = u _final - Atau _permulaan

Dengan u awal = 500 j.

Menurut data ΔV = 100 cm³ = 100 x 10^-6 m³ dan 3 atm = 303975 Pa, Oleh itu:

W = p . ΔV = 303975 Pa x 100 x 10^-6 m³ = 30.4 J

Atau _final - Atau _permulaan = 30.4 J

Atau _final = U _permulaan + 30.4 J = 500 J + 30.4 J = 530.4 J.

Rujukan

1. Bauer, w. 2011. Fizik untuk Kejuruteraan dan Sains. Jilid 1. MC Graw Hill.
2. Cengel, dan. 2012. Thermodynamics. 7^ma Edisi. McGraw Hill.
3. Figueroa, d. (2005). Siri: Fizik untuk Sains dan Kejuruteraan. Jilid 4. Cecair dan termodinamik. Diedit oleh Douglas Figueroa (USB).
4. López, c. Undang -undang termodinamik pertama. Pulih dari: Culturacientifica.com.
5. Knight, r. 2017. Fizik untuk saintis dan kejuruteraan: Pendekatan Strategi. Pearson.
6. Serway, r., Vulle, c. 2011. Asas Fizik. 9^na Ed. Pembelajaran Cengage.
7. Sevilla University. Mesin terma. Pulih dari: Laplace.kita.adalah.
8. Wikiwand. Proses adiabatik. Pulih dari: wikiwand.com.