Законите на термодинамиката са едни от най-важните закони във цялата физика и разбирането как да се прилага всеки един от тях е изключително важно умение за всеки студент по физика.
Първият закон на термодинамиката е по същество изявление за запазване на енергията, но има много приложения за тази конкретна формулировка ще трябва да разберете дали искате да решите проблеми, свързани с неща като топлина двигатели.
Да научим какво са адиабатни, изобарни, изохорни и изотермични процеси и как да приложим първия закон на термодинамиката в тези ситуации, ви помага математически да опишете поведението на термодинамичната система като него еволюира във времето.
Вътрешна енергия, работа и топлина
Първият закон на термодинамиката - както и другите закони на термодинамиката - изисква разбиране на някои ключови термини. Theвътрешна енергия на систематае мярка за общата кинетична енергия и потенциалната енергия на изолирана система от молекули; интуитивно това просто количествено определя количеството енергия, съдържащо се в системата.
Термодинамична работае количеството работа, която системата извършва върху околната среда, например чрез индуцирано от топлината разширение на газ, изтласкващо бутало навън. Това е пример за това как топлинната енергия в един термодинамичен процес може да бъде превърната в механична енергия и това е основният принцип зад работата на много двигатели.
На свой ред,топлинаилиТермална енергияе термодинамичният пренос на енергия между две системи. Когато две термодинамични системи са в контакт (не са разделени от изолатор) и са с различни температури, топлообменът се осъществява по този начин, от по-горещото тяло към по-студеното. Всички тези три величини са форми на енергия и се измерват в джаули.
Първият закон на термодинамиката
Първият закон на термодинамиката гласи, че топлината, добавена към системата, добавя към нейната вътрешна енергия, докато работата, извършена от системата, намалява вътрешната енергия. В символи, които използвате∆Uза обозначаване на промяната във вътрешната енергия,Въпрос:да стои за пренос на топлина иWза работата, извършена от системата, и така първият закон на термодинамиката е:
∆U = Q - W
Следователно първият закон на термодинамиката свързва вътрешната енергия на системата с две форми на енергия трансфер, който може да се осъществи и като такъв е най-добре да се мисли като изявление на закона за опазване на енергия.
Всички промени във вътрешната енергия на системата идват или от пренос на топлина, или от свършена работа с пренос на топлинада сесистемата и свършената работаНасистемата увеличава вътрешната енергия и пренос на топлинаотсистемата и свършената работаотнамалява вътрешната енергия. Самият израз е лесен за използване и разбиране, но намирането на валидни изрази за преноса на топлина и работата, извършена за използване в уравнението, може да бъде предизвикателство в някои случаи.
Пример за първия закон на термодинамиката
Топлинните двигатели са често срещан тип термодинамична система, която може да се използва за разбиране на основите на първия закон на термодинамиката. Топлинните двигатели по същество превръщат преноса на топлина в използваема работа чрез четиристепенен процес, който включва добавяне на топлина към резервоар за газ за да увеличи налягането си, той се разширява в обем в резултат на това, налягането намалява, тъй като топлината се извлича от газа и накрая газът се компресиран (т.е. намален в обем), докато се работи по него, за да се върне в първоначалното състояние на системата и да се стартира процесът отначало отново.
Същата тази система често се идеализира като aЦикъл на Карно, при който всички процеси са обратими и не включват промяна в ентропията, със стадий на изотермично (т.е. при същата температура) разширение, етап на адиабатно разширение (без пренос на топлина), етап на изотермично компресиране и етап на адиабатно компресиране, за да се върне към оригинала държава.
И двата процеса (идеализираният цикъл на Карно и цикълът на топлинния двигател) обикновено се нанасят на aPVдиаграма (наричана още графика на налягане-обем) и тези две величини са свързани от закона за идеалния газ, който гласи:
PV = nRT
КъдетоP= налягане,V= обем,н= броят на моловете на газа,R= универсалната газова константа = 8.314 J mol−1 К−1 иT= температура. В комбинация с първия закон на термодинамиката, този закон може да се използва за описание на етапите на цикъла на топлинната машина. Друг полезен израз дава вътрешната енергияUза идеален газ:
U = \ frac {3} {2} nRT
Цикълът на топлинния двигател
Един прост подход за анализ на цикъла на топлинния двигател е да си представим, че процесът се извършва върху праволинейна кутия вPVпарцел, като всеки етап се провежда или при постоянно налягане (изобарен процес), или при постоянен обем (изохорен процес).
Първо, започвайки отV1, добавя се топлина и налягането се повишава отP1 да сеP2, и тъй като обемът остава постоянен, знаете, че свършената работа е нула. За да се справите с този етап от проблема, правите две версии на закона за идеалния газ за първото и второто състояние (помнете товаVинса постоянни):P1V1 = nRT1 иP2V1 = nRT2и след това извадете първата от втората, за да получите:
V_1 (P_2-P_1) = nR (T_2 -T_1)
Решаването на промяната в температурата дава:
(T_2 - T_1) = \ frac {V_1 (P_2 - P_1)} {nR}
Ако търсите промяната във вътрешната енергия, можете да я вмъкнете в израза за вътрешна енергияUза да получите:
\ начало {подравнено ∆U & = \ frac {3} {2} nR∆T \\ \\ & = \ frac {3} {2} nR \ bigg (\ frac {V_1 (P_2 - P_1)} {nR } \ bigg) \\ \\ & = \ frac {3} {2} V_1 (P_2 -P_1) \ край {подравнено}
За втория етап от цикъла обемът на газа се разширява (и така газът работи) и в процеса се добавя повече топлина (за поддържане на постоянна температура). В този случай работатаWнаправено от газа е просто промяната в обема, умножена по наляганетоP2, което дава:
W = P_2 (V_2 -V_1)
И промяната в температурата се установява със закона за идеалния газ, както преди (с изключение на поддържанетоP2 като константа и като се помни, че обемът се променя), да бъде:
T_2 - T_1 = \ frac {P_2 (V_2 - V_1)} {nR}
Ако искате да разберете точното количество добавена топлина, можете да използвате специфичното уравнение за топлина при постоянно налягане, за да го намерите. Можете обаче директно да изчислите вътрешната енергия на системата в този момент, както преди:
\ начало {подравнено} & & = \ frac {3} {2} nR∆T \\ \\ & = \ frac {3} {2} nR \ bigg (\ frac {P_2 (V_2 - V_1)} {nR } \ bigg) \\ \\ & = \ frac {3} {2} P_2 (V_2 - V_1) \ край {подравнено}
Третият етап по същество е обратен на първия етап, така че налягането намалява при постоянен обем (този пътV2), а топлината се извлича от газа. Можете да работите през същия процес, основан на закона за идеалния газ и уравнението за получаване на вътрешната енергия на системата:
∆U = - \ frac {3} {2} V_2 (P_2 - P_1)
Този път обърнете внимание на водещия знак минус, защото температурата (и следователно енергията) е намаляла.
И накрая, на последния етап се наблюдава намаляване на обема, тъй като се работи върху извлечения газ и топлина в изобарен процес, произвеждащ много подобен израз на последния път за работата, освен с водещ знак минус:
W = -P_1 (V_2 -V_1)
Същото изчисление дава промяната във вътрешната енергия като:
=U = - \ frac {3} {2} P_1 (V_2 - V_1)
Други закони на термодинамиката
Първият закон на термодинамиката е може би най-практичният полезен за физик, но другият три основни закона също заслужават кратко споменаване (въпреки че са разгледани по-подробно в други статии). Нулевият закон на термодинамиката гласи, че ако система А е в топлинно равновесие със система В, а система В е в равновесие със система С, тогава система А е в равновесие със система С.
Вторият закон на термодинамиката гласи, че ентропията на която и да е затворена система има тенденция да се увеличава.
И накрая, третият закон на термодинамиката гласи, че ентропията на системата се приближава до постоянна стойност, тъй като температурата се приближава до абсолютната нула.