PRVÝ TERMODYNAMICKÝ ZÁKON: VZORCE, ROVNICE, PRÍKLADY - FYZICKÝ - 2025

Prvý termodynamický zákon hovorí, že každá zmena skúsený energie systému pochádza z mechanického vykonanej práce, plus výmene tepla s okolitým prostredím. Či už sú v pokoji alebo v pohybe, objekty (systémy) majú rôzne energie, ktoré môžu byť transformované z jednej triedy do druhej prostredníctvom nejakého typu procesu.

Ak je systém v pokoji laboratória a jeho mechanická energia je 0, má stále vnútornú energiu, pretože častice, ktoré ho tvoria, neustále zažívajú náhodné pohyby.

Obrázok 1. Motor s vnútorným spaľovaním používa na výrobu práce prvý zákon termodynamiky. Zdroj: Pixabay.

Náhodné pohyby častíc spolu s elektrickými interakciami a v niektorých prípadoch jadrovými formujú vnútornú energiu systému a pri interakcii s prostredím dochádza k zmenám vnútornej energie.

Existuje niekoľko spôsobov, ako uskutočniť tieto zmeny:

- Prvým je, že systém vymieňa teplo so životným prostredím. Toto nastane, keď je medzi nimi rozdiel teploty. Ten, ktorý je horúci, odovzdá teplo - spôsob prenosu energie - tým najchladnejším, kým sa obidve teploty nevyrovnajú a nedosiahnu tepelnú rovnováhu.

- Vykonaním úlohy, bez ohľadu na to, či ju systém vykoná, alebo či to robí externý agent v systéme.

- Pridanie hmotnosti do systému (hmotnosť sa rovná energii).

Nech U je vnútorná energia, zostatok bude ΔU = konečný U - počiatočný U, takže je vhodné priradiť znaky, ktoré podľa kritérií IUPAC (Medzinárodná únia čistej a aplikovanej chémie) sú:

- Pozitívne Q a W (+), keď systém prijíma teplo a pracuje sa na ňom (energia sa prenáša).

- Záporné Q a W (-), ak sa systém vzdá tepla a vykonáva práce na životnom prostredí (znižuje energiu).

Vzorce a rovnice

Prvý zákon termodynamiky je ďalším spôsobom, ako povedať, že energia nie je vytváraná ani ničená, ale je transformovaná z jedného typu na druhý. Ak tak urobíte, vyprodukuje sa teplo a práca, ktoré sa dajú dobre využiť. Matematicky sa vyjadruje takto:

ΔU = Q + W

Kde:

- ΔU je zmena energie systému daná: ΔU = konečná energia - počiatočná energia = U _f - U _o

- Q je výmena tepla medzi systémom a prostredím.

- W je práca vykonaná na systéme.

V niektorých textoch je uvedený prvý zákon termodynamiky takto:

ΔU = Q - W

To neznamená, že si navzájom odporujú alebo že sa vyskytla chyba. Dôvodom je skutočnosť, že práca W bola definovaná skôr ako práca vykonaná systémom, než ako práca vykonaná v systéme, ako v prístupe IUPAC.

Týmto kritériom sa prvý termodynamický zákon uvádza takto:

Obidve kritériá poskytnú správne výsledky.

Dôležité pripomienky k prvému termodynamickému zákonu

Teplo aj práca sú dva spôsoby prenosu energie medzi systémom a jeho okolím. Všetky zúčastnené množstvá majú ako jednotku v medzinárodnom systéme joule alebo joule, skrátene J.

Prvý zákon termodynamiky poskytuje informácie o zmene energie, nie o absolútnych hodnotách konečnej alebo počiatočnej energie. Niektoré z nich by sa dali považovať dokonca za 0, pretože sa počíta rozdiel v hodnotách.

Ďalším dôležitým záverom je, že každý izolovaný systém má ΔU = 0, pretože nie je schopný vymieňať teplo s prostredím, a preto na ňom nemôže pracovať žiadne vonkajšie činidlo, takže energia zostáva konštantná. Termoska na udržanie teplej kávy je rozumná aproximácia.

Takže v neizolovanom systéme je ΔU vždy odlišná od 0? Nie je nevyhnutne, ΔU môže byť 0, ak jeho premenné, ktoré sú zvyčajne tlak, teplota, objem a počet mólov, prechádzajú cyklom, v ktorom sú ich počiatočné a konečné hodnoty rovnaké.

Napríklad v Carnotovom cykle sa všetka tepelná energia premieňa na použiteľnú prácu, pretože nepredpokladá straty spôsobené trením alebo viskozitou.

Pokiaľ ide o U, tajomnú energiu systému, zahŕňa:

- Kinetická energia častíc pri pohybe a energia, ktorá pochádza z vibrácií a rotácií atómov a molekúl.

- Potenciálna energia v dôsledku elektrických interakcií medzi atómami a molekulami.

- Interakcie typické pre atómové jadro, ako vo vnútri slnka.

aplikácia

Prvý zákon uvádza, že je možné vyrábať teplo a pracovať tým, že sa mení vnútorná energia systému. Jednou z najúspešnejších aplikácií je motor s vnútorným spaľovaním, v ktorom sa odoberá určitý objem plynu a jeho expanzia sa používa na vykonávanie prác. Ďalšou známou aplikáciou je parný stroj.

Motory zvyčajne využívajú cykly alebo procesy, v ktorých systém začína od počiatočného stavu rovnováhy smerom k inému konečnému stavu, tiež rovnováhy. Mnohé z nich sa konajú za podmienok, ktoré uľahčujú výpočet práce a tepla podľa prvého zákona.

Tu sú jednoduché šablóny, ktoré popisujú bežné, každodenné situácie. Naj ilustratívnejšie procesy sú adiabatické, izochorické, izotermálne, izobarické procesy, procesy uzatvorenej cesty a voľná expanzia. V nich je systémová premenná udržiavaná konštantná, a preto prvý zákon nadobúda konkrétnu podobu.

Izokinetické procesy

Sú to tie, v ktorých objem systému zostáva konštantný. Preto sa nevykonáva žiadna práca a pri W = 0 zostáva:

ΔU = Q

Izobarické procesy

V týchto procesoch zostáva tlak konštantný. Práca vykonaná systémom je spôsobená zmenou objemu.

Predpokladajme, že v nádobe je plyn. Pretože práca W je definovaná ako:

Nahradením tejto sily do vyjadrenia práce sa získa:

Produkt A. l sa však rovná zmene objemu ΔV, takže práca zostáva takto:

V prípade izobarického procesu má prvý zákon podobu:

ΔU = Q - p ΔV

Izotermické procesy

Sú to také, ktoré sa konajú pri konštantnej teplote. To sa môže uskutočniť kontaktom systému s vonkajšou tepelnou nádržou a spôsobením výmeny tepla veľmi pomaly, takže teplota je konštantná.

Napríklad teplo môže prúdiť z horúcej nádrže do systému, čo umožňuje systému pracovať, bez zmeny ΔU. takže:

Q + W = 0

Adiabatické procesy

V adiabatickom procese nedochádza k prenosu tepelnej energie, preto Q = 0 a prvý zákon sa znižuje na ΔU = W. Táto situácia sa môže vyskytnúť v dobre izolovaných systémoch a znamená, že zmena energie pochádza z práce, ktorá bola na základe súčasného dohovoru o označovaní (IUPAC).

Možno si myslieť, že keďže nedochádza k prenosu tepelnej energie, teplota zostane konštantná, ale nie vždy tomu tak je. Kompresia izolovaného plynu vedie prekvapivo k zvýšeniu jeho teploty, zatiaľ čo pri adiabatickom rozširovaní teplota klesá.

Procesy uzavretou cestou a voľná expanzia

V procese uzavretej cesty sa systém vráti do rovnakého stavu, aký mal na začiatku, bez ohľadu na to, čo sa stalo v prechodných bodoch. Tieto procesy boli spomenuté predtým, keď hovoríme o neizolovaných systémoch.

V nich ΔU = 0, a teda Q = W alebo Q = -W v závislosti od prijatého kritéria označenia.

Procesy s uzavretou cestou sú veľmi dôležité, pretože tvoria základ tepelných motorov, ako je napríklad parný stroj.

Nakoniec je voľná expanzia idealizáciou, ktorá sa uskutočňuje v tepelne izolovanej nádobe, ktorá obsahuje plyn. Nádoba má dva oddelenia oddelené priehradkou alebo membránou a plyn je v jednom z nich.

Objem nádoby sa náhle zvyšuje, ak sa membrána pretrhne a plyn sa expanduje, ale nádoba neobsahuje piest alebo iný predmet, ktorý sa má pohybovať. Takže plyn nefunguje, kým sa rozširuje a W = 0. Pretože je tepelne izolovaný, Q = 0 a okamžite sa dospelo k záveru, že ΔU = 0.

Voľná ​​expanzia preto nespôsobuje zmeny v energii plynu, ale paradoxne nie je pri expanzii v rovnováhe.

Príklady

- Typickým izochorickým procesom je zahrievanie plynu vo vzduchotesnej a tuhej nádobe, napríklad tlakový hrniec bez výfukového ventilu. Týmto spôsobom zostáva objem konštantný a ak uvedieme takýto kontajner do kontaktu s inými telesami, vnútorná energia plynu sa zmení len vďaka prenosu tepla v dôsledku tohto kontaktu.

- Tepelné stroje vykonávajú cyklus, v ktorom odoberajú teplo z tepelnej nádrže, premieňajú takmer všetko na prácu, časť nechávajú na vlastnú činnosť a prebytočné teplo sa ukladá do inej chladiacej nádrže, ktorá je zvyčajne ambient.

- Príprava omáčok v nekrytej nádobe je každodenným príkladom izobarického procesu, pretože varenie sa vykonáva pri atmosférickom tlaku a objem omáčky sa časom znižuje, keď sa kvapalina odparuje.

- Ideálny plyn, v ktorom prebieha izotermický proces, udržuje produkt konštantný z hľadiska tlaku a objemu: P. V = konštantný.

- Metabolizmus teplokrvných zvierat im umožňuje udržiavať konštantnú teplotu a vykonávať viaceré biologické procesy na úkor energie obsiahnutej v potrave.

Obrázok 2. Športovci, podobne ako tepelné stroje, používajú palivo na prácu a prebytok sa stráca potom. Zdroj: Pixabay.

Riešené cvičenia

Cvičenie 1

Plyn je stlačený pri konštantnom tlaku 0,800 atm, takže jeho objem sa mení od 9,00 I do 2,00 L. Pri tomto postupe plyn odovzdáva prostredníctvom tepla 400 J energie. a) Nájdite prácu vykonanú na plyne ab) vypočítajte zmenu vnútornej energie.

Riešenie)

V adiabatickom postupu je splnená, že P _o = P _f , vykonaná práca na plyn je W = P. ΔV, ako je vysvetlené v predchádzajúcich častiach.

Vyžadujú sa tieto prevodné faktory:

Z tohto dôvodu: 0,8 atm = 81,060 Pa a Δ V = 9-2 L = 7 P = 0,007 m ³

Nahradenie získaných hodnôt:

Riešenie b)

Keď sa systém vzdá tepla, Q sa priradí znamienko - preto je prvý zákon termodynamiky nasledujúci:

ΔU = -400 J + 567,42 J = 167,42 J.

Cvičenie 2

Je známe, že vnútorná energia plynu je 500 J, a keď je stlačený adiabaticky jeho objem sa znižuje o 100 cm ³ . Ak tlak pôsobiaci na plyn počas kompresie bol 3,00 atm, vypočítajte vnútornú energiu plynu po adiabatickom stlačení.

Riešenie

Pretože vyhlásenie informuje, že kompresia je adiabatická, je pravda, že Q = 0 a ΔU = W, potom:

S počiatočným U = 500 J.

Podľa údajov, Av = 100 cm ³ = 100 x 10 ^-6 m ³ a 3 atm = 303975 Pa, teda:

Referencie

1. Bauer, W. 2011. Fyzika pre techniku ​​a vedu. Zväzok 1. Mc Graw Hill.
2. Cengel, Y. 2012. Termodynamika. Vydanie 7 ^ma . McGraw Hill.
3. Figueroa, D. (2005). Séria: Fyzika pre vedu a techniku. Objem 4. Kvapaliny a termodynamika. Editoval Douglas Figueroa (USB).
4. López, C. Prvý termodynamický zákon. Získané z: Culturativeifica.com.
5. Knight, R. 2017. Fyzika pre vedcov a techniku: strategický prístup. Pearson.
6. Serway, R., Vulle, C. 2011. Základy fyziky. 9 ^na Ed. Cengage Learning.
7. Sevilla University. Tepelné stroje. Získané z: laplace.us.es.
8. Wikiwand. Adiabatický proces. Obnovené z: wikiwand.com.