Lovene om termodynamik er nogle af de vigtigste love i hele fysikken, og det er en afgørende færdighed for enhver fysikstuderende at forstå, hvordan man anvender hver enkelt af dem.
Den første lov om termodynamik er i det væsentlige en erklæring om bevarelse af energi, men der er mange anvendelser til denne specifikke formulering skal du forstå, om du vil løse problemer, der involverer ting som varme motorer.
At lære, hvad adiabatiske, isobariske, isokoriske og isotermiske processer er, og hvordan man anvender den første lov om termodynamik i disse situationer, hjælper dig matematisk med at beskrive et termodynamisk systems opførsel som det udvikler sig med tiden.
Intern energi, arbejde og varme
Den første lov om termodynamik - som de andre termodynamiske love - kræver en forståelse af nogle nøgleord. Detintern energi i et systemer et mål for den samlede kinetiske energi og potentielle energi for et isoleret molekylsystem; intuitivt kvantificerer dette bare mængden af energi indeholdt i systemet.
Termodynamisk arbejdeer den mængde arbejde, et system udfører på miljøet, for eksempel ved den varmeinducerede ekspansion af en gas, der skubber et stempel udad. Dette er et eksempel på, hvordan varmeenergi i en termodynamisk proces kan omdannes til mekanisk energi, og det er kerneprincippet bag driften af mange motorer.
På tur,varmeellertermisk energier den termodynamiske energioverførsel mellem to systemer. Når to termodynamiske systemer er i kontakt (ikke adskilt af en isolator) og har forskellige temperaturer, forekommer varmeoverførsel på denne måde fra det varmere legeme mod det koldere. Alle disse tre størrelser er former for energi og måles således i joule.
Den første lov om termodynamik
Den første lov om termodynamik siger, at den varme, der tilføjes systemet, øger dets interne energi, mens det arbejde, systemet udfører, reducerer den interne energi. I symboler bruger du∆Uat betegne ændringen i intern energi,Spørgsmålat stå for varmeoverførsel ogWfor det arbejde, systemet udfører, og så er den første lov om termodynamik:
∆U = Q - W
Den første lov om termodynamik relaterer derfor systemets indre energi til to energiformer overførsel, der kan finde sted, og som sådan betragtes det bedst som en erklæring om loven om bevarelse af energi.
Eventuelle ændringer i systemets interne energi kommer fra enten varmeoverførsel eller udført arbejde med varmeoverførseltilsystemet og det udførte arbejdepåsystemet øger intern energi og varmeoverførselfrasystemet og det udførte arbejdeveddet reducerer den indre energi. Selve udtrykket er let at bruge og forstå, men det kan i nogle tilfælde være udfordrende at finde gyldige udtryk for varmeoverførslen og det arbejde, der udføres for at bruge i ligningen.
Eksempel på den første lov om termodynamik
Varmemotorer er en almindelig type termodynamisk system, der kan bruges til at forstå det grundlæggende i den første lov om termodynamik. Varmemotorer omdanner i det væsentlige varmeoverførsel til brugbart arbejde gennem en firetrinsproces, der involverer varme tilsat til et gasreservoir for at øge sit tryk ekspanderer det i volumen som et resultat, det tryk reduceres, når varme ekstraheres fra gassen og til sidst gassen komprimeret (dvs. reduceret i volumen), når der arbejdes på det for at bringe det tilbage i systemets oprindelige tilstand og starte processen forfra igen.
Det samme system er ofte idealiseret som enCarnot cyklus, hvor alle processerne er reversible og ikke involverer nogen ændring i entropi, med et stadium af isotermisk (dvs. ved samme temperatur) ekspansion, en stadie af adiabatisk ekspansion (uden varmeoverførsel), et trin med isoterm kompression og et trin med adiabatisk kompression for at bringe det tilbage til originalen stat.
Begge disse processer (den idealiserede Carnot-cyklus og varmemotorcyklussen) er normalt afbildet på enPVdiagram (også kaldet et tryk-volumen plot), og disse to størrelser er relateret til den ideelle gaslov, der siger:
PV = nRT
HvorP= tryk,V= volumen,n= antallet af mol af gassenR= den universelle gaskonstant = 8,314 J mol−1 K−1 ogT= temperatur. I kombination med den første lov om termodynamik kan denne lov bruges til at beskrive stadierne af en varmemotorkredsløb. Et andet nyttigt udtryk giver den indre energiUfor en ideel gas:
U = \ frac {3} {2} nRT
Varmemotorens cyklus
En enkel tilgang til analyse af varmemotorkredsløbet er at forestille sig, at processen finder sted på en ligesidet kasse iPVplot, hvor hvert trin enten finder sted ved et konstant tryk (en isobarisk proces) eller et konstant volumen (en isokorisk proces).
Først startende fraV1, tilsættes varme, og trykket stiger fraP1 tilP2, og da lydstyrken forbliver konstant, ved du, at det udførte arbejde er nul. For at tackle denne fase af problemet laver du to versioner af den ideelle gaslov for den første og anden tilstand (husk detVogner konstante):P1V1 = nRT1 ogP2V1 = nRT2, og træk derefter den første fra den anden for at få:
V_1 (P_2-P_1) = nR (T_2 -T_1)
Løsning af temperaturændringen giver:
(T_2 - T_1) = \ frac {V_1 (P_2 - P_1)} {nR}
Hvis du leder efter ændringen i intern energi, kan du derefter indsætte dette i udtrykket for intern energiUat få:
\ begin {align} ∆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) \ ende {justeret}
I det andet trin i cyklussen udvides gasens volumen (og så fungerer gassen), og der tilføjes mere varme i processen (for at opretholde en konstant temperatur). I dette tilfælde er arbejdetWudført af gassen er simpelthen ændringen i volumen ganget med trykketP2, som giver:
W = P_2 (V_2-V_1)
Og temperaturændringen findes med den ideelle gaslov som før (undtagen at holdeP2 som en konstant og husker, at lydstyrken ændres), skal være:
T_2 - T_1 = \ frac {P_2 (V_2 - V_1)} {nR}
Hvis du vil finde ud af den nøjagtige mængde tilsat varme, kan du bruge den specifikke varmeligning ved et konstant tryk for at finde den. Du kan dog direkte beregne systemets interne energi på dette tidspunkt som før:
\ begin {align} ∆U & = \ 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) \ ende {justeret}
Det tredje trin er i det væsentlige det modsatte af det første trin, så trykket falder med et konstant volumen (denne gangV2), og der ekstraheres varme fra gassen. Du kan arbejde gennem den samme proces baseret på den ideelle gaslov og ligningen for systemets interne energi for at få:
∆U = - \ 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 volumenet falde, når der arbejdes på gassen og varmen ekstraheret i en isobarisk proces, der producerer et meget lignende udtryk som sidste gang for værket, undtagen med en førende minustegn:
W = -P_1 (V_2-V_1)
Den samme beregning giver ændringen i intern energi som:
∆U = - \ frac {3} {2} P_1 (V_2 - V_1)
Andre love om termodynamik
Den første lov om termodynamik er uden tvivl den mest praktisk anvendelige for en fysiker, men den anden tre større love er også værd at kort nævne (selvom de er beskrevet mere detaljeret i andre artikler). Den nul lov af termodynamik siger, 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 siger, at entropien i ethvert lukket system har tendens til at stige.
Endelig siger den tredje lov om termodynamik, at et systems entropi nærmer sig en konstant værdi, når temperaturen nærmer sig absolut nul.