Termodynamiikan lait ovat tärkeimpiä lakeja koko fysiikassa, ja ymmärtäminen siitä, miten kutakin niistä soveltaa, on ratkaiseva taito kaikille fysiikan opiskelijoille.
Ensimmäinen termodynamiikan laki on pohjimmiltaan lausunto energiansäästöstä, mutta käyttötarkoituksia on monia tätä erityistä formulaatiota varten sinun on ymmärrettävä, jos haluat ratkaista ongelmia, jotka liittyvät esimerkiksi lämpöön moottorit.
Oppiminen, mitkä ovat adiabaattiset, isobaariset, isokooriset ja isotermiset prosessit, ja kuinka soveltaa ensimmäistä Termodynamiikka näissä tilanteissa auttaa sinua matemaattisesti kuvaamaan termodynaamisen järjestelmän käyttäytymistä sellaisenaan kehittyy ajassa.
Sisäinen energia, työ ja lämpö
Ensimmäinen termodynamiikan laki - kuten muutkin termodynamiikan lait - edellyttää joidenkin keskeisten termien ymmärtämistä.järjestelmän sisäinen energiaon eristetyn molekyylijärjestelmän kokonaiskineettisen energian ja potentiaalienergian mitta; intuitiivisesti tämä vain määrittelee järjestelmässä olevan energiamäärän.
Termodynaaminen työon työn määrä, jonka järjestelmä tekee ympäristölle esimerkiksi männän ulospäin työntävän kaasun lämmön aiheuttamasta laajenemisesta. Tämä on esimerkki siitä, kuinka lämpöenergia dynaamisessa prosessissa voidaan muuntaa mekaaniseksi energiaksi, ja se on monien moottoreiden toiminnan ydinperiaate.
Puolestaanlämpöätailämpöenergiaon termodynaaminen energiansiirto kahden järjestelmän välillä. Kun kaksi termodynaamista järjestelmää ovat kosketuksissa (eristämättömillä) ja eri lämpötiloissa, lämmönsiirto tapahtuu tällä tavalla kuumemmasta kappaleesta kohti kylmempää. Kaikki nämä kolme määrää ovat energiamuotoja, ja ne mitataan jouleina.
Ensimmäinen termodynamiikan laki
Ensimmäisessä termodynamiikan laissa todetaan, että järjestelmään lisätty lämpö lisää sen sisäistä energiaa, kun taas järjestelmän tekemä työ vähentää sisäistä energiaa. Symboleissa käytät∆Usisäisen energian muutoksen merkitsemiseksi,Qseisomaan lämmönsiirtoa jaWjärjestelmän tekemälle työlle, joten termodynamiikan ensimmäinen laki on:
∆U = Q - W
Termodynamiikan ensimmäinen laki siis yhdistää järjestelmän sisäisen energian kahteen energiamuotoon siirto, joka voi tapahtua, ja sellaisenaan se on parasta ajatella julistukseksi suojelun laista energiaa.
Kaikki järjestelmän sisäisen energian muutokset johtuvat joko lämmönsiirrosta tai tehdystä työstä lämmönsiirron kanssaettäjärjestelmä ja tehty työpäälläjärjestelmä lisää sisäistä energiaa ja lämmönsiirtoaalkaenjärjestelmä ja tehty työmennessäse vähentää sisäistä energiaa. Lauseke itsessään on helppokäyttöinen ja ymmärrettävä, mutta pätevien ilmaisujen löytäminen lämmönsiirrolle ja käytetylle työlle yhtälössä voi olla joissakin tapauksissa haastavaa.
Esimerkki termodynamiikan ensimmäisestä laista
Lämpömoottorit ovat yleinen termodynaaminen järjestelmä, jota voidaan käyttää ensimmäisen termodynamiikan lain perusteiden ymmärtämiseen. Lämpömoottorit muuttavat lämmönsiirron olennaisesti käyttökelpoiseksi työksi nelivaiheisen prosessin avulla, johon liittyy lämmön lisääminen kaasusäiliöön paineen lisäämiseksi se laajenee volyymin seurauksena, jolloin paine alenee, kun lämpö uutetaan kaasusta ja lopuksi kaasu pakattu (ts. pienennetty volyymi), kun sitä tehdään sen palauttamiseksi järjestelmän alkuperäiseen tilaan ja prosessin aloittamiseksi uudestaan uudelleen.
Tämä sama järjestelmä idealisoidaan usein aCarnot-sykli, jossa kaikki prosessit ovat palautuvia eikä niihin sisälly muutoksia entropiassa, isotermisen (ts. samassa lämpötilassa) laajenemisvaiheessa adiabaattisen laajenemisen vaihe (ilman lämmönsiirtoa), isotermisen puristuksen vaihe ja adiabaattisen puristuksen vaihe palauttaakseen sen alkuperäiseen osavaltio.
Molemmat näistä prosesseista (idealisoitu Carnot-sykli ja lämpökoneen sykli) piirretään yleensä a: llePVkaavio (jota kutsutaan myös paine-tilavuuspiirrokseksi), ja nämä kaksi määrää liittyvät ihanteelliseen kaasulakiin, jossa todetaan:
PV = nRT
MissäP= paine,V= tilavuus,n= kaasumoolien lukumäärä,R= yleinen kaasuvakio = 8,314 J mol−1 K−1 jaT= lämpötila. Yhdessä termodynamiikan ensimmäisen lain kanssa tätä lakia voidaan käyttää kuvaamaan lämpökoneen syklin vaiheita. Toinen hyödyllinen ilmaisu antaa sisäisen energianUihanteelliselle kaasulle:
U = \ frac {3} {2} nRT
Lämpömoottorin sykli
Yksinkertainen lähestymistapa lämpömoottorisyklin analysointiin on kuvitella prosessin tapahtuminen suorakulmaisessa laatikossaPVkäyrä, jolloin kukin vaihe tapahtuu joko vakiopaineessa (isobaarinen prosessi) tai vakiotilavuudessa (isokoorinen prosessi).
Ensinnäkin alkaenV1, lämpöä lisätään ja paine nouseeP1 ettäP2, ja koska äänenvoimakkuus pysyy vakiona, tiedät, että tehty työ on nolla. Voit ratkaista ongelman tämän vaiheen tekemällä kaksi versiota ihanteellisesta kaasulakista ensimmäiselle ja toiselle tilalle (muistaa seVjanovat vakioita):P1V1 = nRT1 jaP2V1 = nRT2ja vähennä sitten ensimmäinen toisesta saadaksesi:
V_1 (P_2-P_1) = nR (T_2-T_1)
Lämpötilamuutoksen ratkaiseminen antaa:
(T_2 - T_1) = \ frac {V_1 (P_2 - P_1)} {nR}
Jos etsit muutosta sisäisessä energiassa, voit lisätä sen sisäisen energian ilmaisuunUsaada:
\ begin {tasattu} ∆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) \ loppu {tasattu}
Syklin toisessa vaiheessa kaasun tilavuus laajenee (ja siten kaasu toimii) ja prosessissa lisätään enemmän lämpöä (vakiolämpötilan ylläpitämiseksi). Tässä tapauksessa työWkaasun tekemä on yksinkertaisesti tilavuuden muutos kerrottuna paineellaP2, joka antaa:
W = P_2 (V_2 -V_1)
Ja lämpötilan muutos löytyy ihanteellisesta kaasulakista, kuten aikaisemmin (paitsi pitäminenP2 vakiona ja muistaa, että äänenvoimakkuus muuttuu), olla:
T_2 - T_1 = \ frac {P_2 (V_2 - V_1)} {nR}
Jos haluat selvittää lisätyn lämmön tarkan määrän, voit käyttää sitä tiettyyn lämpöyhtälöön vakiopaineessa. Voit kuitenkin laskea järjestelmän sisäisen energian suoraan tässä vaiheessa kuten aiemmin:
\ begin {tasattu} ∆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) \ loppu {tasattu}
Kolmas vaihe on olennaisesti ensimmäisen vaiheen päinvastainen, joten paine laskee vakiotilavuudella (tällä kertaaV2), ja lämpö uutetaan kaasusta. Voit työskennellä läpi saman prosessin, joka perustuu ihanteelliseen kaasulakiin ja järjestelmän sisäisen energian yhtälöön saadaksesi:
∆U = - \ frac {3} {2} V_2 (P_2 - P_1)
Huomaa johtava miinusmerkki tällä kertaa, koska lämpötila (ja siten energia) on laskenut.
Viimeisessä vaiheessa tilavuus pienenee, kun polttoaineessa uutetaan kaasua ja lämpöä isobaarinen prosessi, joka tuottaa hyvin samanlaisen ilmaisun kuin viimeinen kerta teokselle, paitsi johtavalla miinusmerkki:
W = -P_1 (V_2 -V_1)
Sama laskelma antaa muutoksen sisäisessä energiassa kuin:
∆U = - \ frac {3} {2} P_1 (V_2 - V_1)
Muut termodynamiikan lait
Termodynamiikan ensimmäinen laki on epäilemättä käytännöllisesti hyödyllisin fyysikolle, mutta toinen Myös kolme suurta lakia ansaitsevat lyhyen maininnan (vaikka niitä käsitellään tarkemmin muissa artikkelit). Termodynamiikan nulllaki toteaa, että jos järjestelmä A on termisessä tasapainossa järjestelmän B kanssa ja järjestelmä B on tasapainossa järjestelmän C kanssa, niin järjestelmä A on tasapainossa järjestelmän C.
Termodynamiikan toisessa laissa todetaan, että minkä tahansa suljetun järjestelmän entropialla on taipumus kasvaa.
Lopuksi termodynamiikan kolmas laki sanoo, että järjestelmän entropia lähestyy vakioarvoa, kun lämpötila lähestyy absoluuttista nollaa.