Zakoni termodinamike su neki od najvažnijih zakona u cijeloj fizici, a razumijevanje kako ih primijeniti ključna je vještina za svakog studenta fizike.
Prvi zakon termodinamike u osnovi je izjava o očuvanju energije, ali koristi ima mnogo za ovu specifičnu formulaciju morat ćete razumjeti ako želite riješiti probleme koji uključuju stvari poput vrućine motori.
Učenje što su adijabatski, izobarični, izohorni i izotermički procesi i kako primijeniti prvi zakon termodinamika u ovim situacijama, pomaže vam matematički opisati ponašanje termodinamičkog sustava kao takvog razvija se u vremenu.
Unutarnja energija, rad i toplina
Prvi zakon termodinamike - poput ostalih zakona termodinamike - zahtijeva razumijevanje nekih ključnih pojmova. Theunutarnja energija sustavaje mjera ukupne kinetičke energije i potencijalne energije izoliranog sustava molekula; intuitivno, ovo samo kvantificira količinu energije sadržane u sustavu.
Termodinamički radje količina rada koji sustav radi na okolišu, na primjer, toplinom izazvanim širenjem plina potiskujući klip prema van. Ovo je primjer kako se toplinska energija u termodinamičkom procesu može pretvoriti u mehaničku energiju, a to je temeljno načelo rada mnogih motora.
Zauzvrat,toplinailiTermalna energijaje termodinamički prijenos energije između dva sustava. Kada su dva termodinamička sustava u kontaktu (nisu odvojena izolatorom) i nalaze se na različitim temperaturama, na taj se način događa prijenos topline, od vrućeg tijela prema hladnijem. Sve ove tri veličine su oblici energije, pa se mjere u džulima.
Prvi zakon termodinamike
Prvi zakon termodinamike kaže da toplina dodana sustavu dodaje njegovu unutarnju energiju, dok rad koji sustav obavlja smanjuje unutarnju energiju. U simbolima koristite∆Uza označavanje promjene unutarnje energije,Qda stoji za prijenos topline iWza rad koji sustav obavlja, pa je prvi zakon termodinamike:
∆U = Q - W
Stoga prvi zakon termodinamike povezuje unutarnju energiju sustava s dva oblika energije prijenos koji se može dogoditi, i kao takav najbolje se smatra izjavom zakona o očuvanju energije.
Sve promjene unutarnje energije sustava proizlaze iz prijenosa topline ili obavljenog posla s prijenosom toplinedosustav i obavljeni posaonasustav koji povećava unutarnju energiju i prijenos toplineizsustav i obavljeni posaoposmanjuje unutarnju energiju. Sam izraz jednostavan je za uporabu i razumijevanje, ali pronalazak valjanih izraza za prijenos topline i rad obavljen za upotrebu u jednadžbi može biti izazov u nekim slučajevima.
Primjer prvog zakona termodinamike
Toplinski motori su uobičajena vrsta termodinamičkog sustava koji se može koristiti za razumijevanje osnova prvog zakona termodinamike. Toplinski motori u osnovi pretvaraju prijenos topline u korisni rad kroz postupak u četiri koraka koji uključuje dodavanje topline u spremnik plina da bi povećao svoj tlak, on se širi u volumenu kao rezultat, a tlak se smanjuje kako se toplina izvlači iz plina i na kraju plin komprimirani (tj. smanjeni volumen) dok se na njemu radi kako bi se vratio u izvorno stanje sustava i započeo postupak iznova opet.
Taj se isti sustav često idealizira kaoCarnotov ciklus, u kojem su svi procesi reverzibilni i ne uključuju promjenu entropije, sa stupnjem izotermičnog (tj. na istoj temperaturi) ekspanzije, stupanj adijabatskog širenja (bez prijenosa topline), stupanj izotermičke kompresije i stupanj adijabatske kompresije kako bi se vratio na izvorno država.
Oba ova postupka (idealizirani Carnotov ciklus i ciklus toplinskog stroja) obično se crtaju na aPVdijagram (koji se naziva i tlačno-zapreminska grafika), a ove dvije veličine povezane su zakonom idealnog plina, koji kaže:
PV = nRT
GdjeStr= tlak,V= volumen,n= broj molova plina,R= univerzalna plinska konstanta = 8,314 J mol−1 K−1 iT= temperatura. U kombinaciji s prvim zakonom termodinamike, ovaj zakon može se koristiti za opisivanje faza ciklusa toplinskog stroja. Još jedan koristan izraz daje unutarnju energijuUza idealan plin:
U = \ frac {3} {2} nRT
Ciklus toplinskog motora
Jednostavan pristup analizi ciklusa toplinskih strojeva je zamisliti da se proces odvija na pravokutnoj kutiji uPVparcela, pri čemu se svaka faza odvija pod konstantnim tlakom (izobarni postupak) ili konstantnim volumenom (izohorni proces).
Prvo, počevši odV1, dodaje se toplina i tlak raste odStr1 doStr2, a budući da glasnoća ostaje konstantna, znate da je obavljeni posao nula. Da biste riješili ovu fazu problema, napravite dvije verzije zakona o idealnom plinu za prvo i drugo stanje (sjećajući se togaVinsu konstantne):Str1V1 = nRT1 iStr2V1 = nRT2, a zatim oduzmite prvo od drugog da biste dobili:
V_1 (P_2-P_1) = nR (T_2 -T_1)
Rješavanje promjene temperature daje:
(T_2 - T_1) = \ frac {V_1 (P_2 - P_1)} {nR}
Ako tražite promjenu unutarnje energije, to možete umetnuti u izraz za unutarnju energijuUdobiti:
\ započeti {poravnato ∆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) \ kraj {poravnato}
Za drugu fazu ciklusa, volumen plina se širi (i tako plin djeluje) i u procesu se dodaje više topline (za održavanje konstantne temperature). U ovom slučaju, djeloWkoju vrši plin jednostavno je promjena volumena pomnožena s tlakomStr2, koji daje:
W = P_2 (V_2 -V_1)
A promjena temperature nalazi se uz zakon o idealnom plinu, kao i prije (osim zadržavanjaStr2 kao konstanta i sjećajući se da se glasnoća mijenja), biti:
T_2 - T_1 = \ frac {P_2 (V_2 - V_1)} {nR}
Ako želite saznati točnu količinu dodane topline, možete je koristiti pomoću jednadžbe specifične topline pod konstantnim tlakom. Međutim, u ovom trenutku možete izravno izračunati unutarnju energiju sustava kao i prije:
\ početak {poravnato} & & = \ 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) \ kraj {poravnato}
Treći stupanj je u osnovi naličje prvog stupnja, pa tlak opada pri konstantnom volumenu (ovaj putV2), a toplina se izvlači iz plina. Možete proći kroz isti postupak zasnovan na zakonu o idealnom plinu i jednadžbi za dobivanje unutarnje energije sustava:
∆U = - \ frac {3} {2} V_2 (P_2 - P_1)
Ovog puta zabilježite vodeći znak minus jer se temperatura (a time i energija) smanjila.
Konačno, u posljednjoj fazi smanjuje se volumen dok se radi na plinu i toplini koji se odvajaju u izobarni postupak, dajući vrlo sličan izraz prošlom vremenu za rad, osim kod vodećeg znak minus:
W = -P_1 (V_2 -V_1)
Isti izračun daje promjenu unutarnje energije kao:
=U = - \ frac {3} {2} P_1 (V_2 - V_1)
Ostali termodinamički zakoni
Prvi zakon termodinamike vjerojatno je najpraktičniji za fizičara, ali drugi tri su glavna zakona također vrijedna kratkog spomena (iako su detaljnije obrađena u drugim članci). Nulti zakon termodinamike kaže da ako je sustav A u toplinskoj ravnoteži sa sustavom B, a sustav B u ravnoteži sa sustavom C, tada je sustav A u ravnoteži sa sustavom C.
Drugi zakon termodinamike kaže da entropija bilo kojeg zatvorenog sustava ima tendenciju povećanja.
Konačno, treći zakon termodinamike kaže da se entropija sustava približava konstantnoj vrijednosti kako se temperatura približava apsolutnoj nuli.