Termodünaamika seadused on ühed kõige olulisemad seadused kogu füüsikas ja mõistmine, kuidas neid kõiki rakendada, on iga füüsikaõpilase jaoks ülioluline oskus.
Termodünaamika esimene seadus on sisuliselt energia säästmise avaldus, kuid neid on palju selle konkreetse preparaadi jaoks peate mõistma, kui soovite lahendada probleeme, mis hõlmavad näiteks kuumust mootorid.
Õppimine, mis on adiabaatilised, isobaarsed, isokoorsed ja isotermilised protsessid ning kuidas rakendada esimest Termodünaamika nendes olukordades aitab teil matemaatiliselt kirjeldada termodünaamilise süsteemi käitumist sellisena areneb ajas.
Sisemine energia, töö ja soojus
Esimene termodünaamikaseadus - nagu teisedki termodünaamika seadused - nõuab mõistmist mõnest võtmeterminist. Thesüsteemi siseenergiaon eraldatud molekulide süsteemi kogu kineetilise energia ja potentsiaalse energia mõõt; intuitiivselt, see lihtsalt kvantifitseerib süsteemis sisalduva energia hulga.
Termodünaamiline tööon töö hulk, mida süsteem keskkonnale teeb, näiteks kolvi väljapoole suruva gaasi kuumuse põhjustatud paisumisega. See on näide sellest, kuidas termodünaamilises protsessis saab soojusenergiat muuta mehaaniliseks energiaks ja see on paljude mootorite töö peamine põhimõte.
Vastutasuks,kuumusvõisoojusenergiaon termodünaamiline energiaülekanne kahe süsteemi vahel. Kui kaks termodünaamilist süsteemi on kontaktis (isolaatoriga eraldamata) ja temperatuuridel on erinev temperatuur, toimub soojusülekanne sel viisil kuumemast kehast külmema poole. Kõik need kolm suurust on energia vormid ja neid mõõdetakse džaulides.
Esimene termodünaamika seadus
Termodünaamika esimene seadus ütleb, et süsteemile lisatav soojus lisab selle siseenergiat, samas kui süsteemi tehtud töö vähendab siseenergiat. Sümbolites kasutate∆Usisemise energia muutuse tähistamiseks,Qseista soojusülekande eest jaWsüsteemi tehtud töö jaoks ja seega on termodünaamika esimene seadus:
∆U = Q - W
Termodünaamika esimene seadus seob seega süsteemi sisemise energia kahe energia vormiga mis võib toimuda, ja sellisena on seda kõige parem mõelda kui avaldust looduskaitseseadusest energia.
Kõik süsteemi siseenergia muutused tulenevad kas soojusülekandest või soojusülekandega tehtud tööstkunisüsteem ja tehtud tööpealsüsteem suurendab siseenergiat ja soojusülekannetalatessüsteem ja tehtud töökõrvalsee vähendab siseenergiat. Väljendit on iseenesest hõlpsasti kasutatav ja mõistetav, kuid soojusülekande ja võrrandi kasutamiseks tehtud töö kohta kehtivate väljendite leidmine võib mõnel juhul olla keeruline.
Näide termodünaamika esimesest seadusest
Soojusmootorid on levinud termodünaamilise süsteemi tüüp, mille abil saab mõista esimese termodünaamikaseaduse põhitõdesid. Soojusmootorid muudavad soojusülekande sisuliselt kasutatavaks tööks neljaetapilise protsessi abil, mille käigus lisatakse soojust gaasimahutisse rõhu suurendamiseks laieneb selle tulemusena maht, rõhk väheneb, kui gaasist eraldatakse soojus ja lõpuks gaas kokkusurutud (st mahult vähendatud), kuna sellega tehakse tööd süsteemi algsesse olekusse viimiseks ja protsessi uuesti alustamiseks uuesti.
Seda sama süsteemi idealiseeritakse sageli kui aCarnot tsükkel, kus kõik protsessid on pöörduvad ja entroopia muutusteta, isotermilise (s.o samal temperatuuril) paisumisastmega adiabaatilise paisumise etapp (ilma soojusülekandeta), isotermilise kokkusurumise etapp ja adiabaatilise kokkusurumise etapp, et viia see tagasi algsesse riik.
Mõlemad protsessid (idealiseeritud Carnoti tsükkel ja soojusmootori tsükkel) on tavaliselt joonistatud a-lePVdiagramm (nimetatakse ka rõhu-mahu graafikuks) ja need kaks suurust on seotud ideaalse gaasiseadusega, mis ütleb:
PV = nRT
KusP= rõhk,V= maht,n= gaasi moolide arv,R= universaalne gaasikonstant = 8,314 J mol−1 K−1 jaT= temperatuur. Koos termodünaamika esimese seadusega saab seda seadust kasutada soojusmootori tsükli etappide kirjeldamiseks. Teine kasulik väljend annab sisemise energiaUideaalse gaasi jaoks:
U = \ frac {3} {2} nRT
Soojusmootori tsükkel
Sooja mootori tsükli analüüsimiseks on lihtne lähenemisviis kujutada protsessi sirgjoonelises kastis toimuvat protsessiPVgraafik, kusjuures iga etapp toimub kas püsiva rõhu (isobaarne protsess) või konstantse ruumala (isohoorne protsess) korral.
Esiteks alatesV1, lisatakse soojus ja rõhk tõusebP1 kuniP2ja kuna helitugevus jääb püsivaks, siis teate, et tehtud töö on null. Selle probleemi etapi lahendamiseks koostate esimese ja teise riigi jaoks ideaalse gaasiseaduse kaks versiooni (seda meeles pidadesVjanon konstantsed):P1V1 = nRT1 jaP2V1 = nRT2ja seejärel lahutage esimene teisest, et saada:
V_1 (P_2-P_1) = nR (T_2-T_1)
Temperatuuri muutuse lahendamine annab:
(T_2 - T_1) = \ frac {V_1 (P_2 - P_1)} {nR}
Kui otsite siseenergia muutust, saate selle sisestada siseenergia avaldisesseUsaada:
\ begin {joondatud} ∆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) \ end {joondatud}
Tsükli teises etapis paisub gaasi maht (ja nii gaas töötab) ning protsessi käigus lisatakse rohkem soojust (püsiva temperatuuri hoidmiseks). Sel juhul tööWgaasi abil on lihtsalt mahu muutus korrutatud rõhugaP2, mis annab:
W = P_2 (V_2-V_1)
Ja temperatuuri muutus leitakse ideaalse gaasiseadusega, nagu varemgi (välja arvatud hoidmineP2 püsivana ja pidades meeles, et helitugevus muutub), olema:
T_2 - T_1 = \ frac {P_2 (V_2 - V_1)} {nR}
Kui soovite teada saada täpset lisatud soojushulka, võite selle leidmiseks kasutada kindla rõhu korral konkreetset soojusvõrrandit. Siiski saate selles punktis otseselt arvutada süsteemi siseenergia nagu varem:
\ begin {joondatud} ∆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) \ end {joondatud}
Kolmas etapp on sisuliselt esimese etapi tagurpidi, nii et rõhk langeb püsiva helitugevusega (seekordV2) ja gaasist eraldatakse soojus. Võite töötada läbi sama protsessi, mis põhineb ideaalsel gaasiseadusel ja süsteemi sisemise energia võrrandil:
∆U = - \ frac {3} {2} V_2 (P_2 - P_1)
Pange seekord tähele juhtiv miinusmärk, kuna temperatuur (ja seega ka energia) on langenud.
Viimases etapis nähakse mahu vähenemist, kui töödeldakse gaasis ja soojuses isobaariline protsess, mis toodab teose jaoks eelmise korraga väga sarnase väljenduse, välja arvatud esitusega miinusmärk:
W = -P_1 (V_2 -V_1)
Sama arvutus annab sisemise energia muutuse kui:
∆U = - \ frac {3} {2} P_1 (V_2 - V_1)
Muud termodünaamika seadused
Termodünaamika esimene seadus on füüsikule vaieldamatult kõige praktilisem, kuid teine ka kolm suurt seadust väärib põgusat mainimist (kuigi neid käsitletakse üksikasjalikumalt teistes seadustes) artiklid). Termodünaamika nullist seadus ütleb, et kui süsteem A on süsteemiga B termilises tasakaalus ja süsteem B on tasakaalus süsteemiga C, siis süsteem A on tasakaalus süsteemiga C.
Termodünaamika teine seadus ütleb, et mis tahes suletud süsteemi entroopia kipub suurenema.
Lõpuks ütleb termodünaamika kolmas seadus, et süsteemi entroopia läheneb konstantsele väärtusele, kui temperatuur läheneb absoluutsele nullile.