A termodinamika törvényei az egyik legfontosabb törvények az egész fizikában, és annak megértése, hogy miként alkalmazzuk mindegyiket, kulcsfontosságú képesség minden fizikus hallgató számára.
A termodinamika első törvénye lényegében az energiatakarékosság megállapítása, de sokféle felhasználási lehetőség van ehhez a speciális készítményhez meg kell értenie, ha olyan problémákat szeretne megoldani, mint például a hő motorok.
Megtanulják, mi az adiabatikus, az izobárikus, az izochorikus és az izotermikus folyamat, és hogyan kell alkalmazni a A termodinamika ezekben a helyzetekben segít matematikailag leírni a termodinamikai rendszer viselkedését időben fejlődik.
Belső energia, munka és hő
A termodinamika első törvénye - a termodinamika többi törvényéhez hasonlóan - megköveteli néhány kulcsfogalom megértését. Aegy rendszer belső energiájaegy izolált molekularendszer teljes kinetikus energiájának és potenciális energiájának a mértéke; intuitív módon ez csak számszerűsíti a rendszerben lévő energia mennyiségét.
Termodinamikai munkaaz a munkamennyiség, amelyet egy rendszer végez a környezeten, például egy dugattyút kifelé toló gáz hő által okozott tágulásával. Ez egy példa arra, hogyan lehet a termodinamikai folyamatban a hőenergiát mechanikai energiává alakítani, és ez számos motor működésének alapelve.
Viszont,hővagyhőenergiaa termodinamikus energiaátadás két rendszer között. Ha két termodinamikai rendszer érintkezik (szigetelővel nem választják el őket) és különböző hőmérsékletűek, akkor a hőátadás ily módon történik, a forróbb testtől a hidegebb felé. Ez a három mennyiség mind az energia egyik formája, ezért joule-ban mérhető.
A termodinamika első törvénye
A termodinamika első törvénye kimondja, hogy a rendszerhez adott hő növeli belső energiáját, míg a rendszer által végzett munka csökkenti a belső energiát. A szimbólumokban használja∆Ua belső energia változásának jelölésére,Qállni a hőátadás ésWa rendszer által végzett munkához, és így a termodinamika első törvénye:
∆U = Q - W
A termodinamika első törvénye tehát a rendszer belső energiáját két energiaformához kapcsolja átadásra kerülhet sor, és mint ilyen a legjobban a megőrzés törvényének megállapításaként gondolható el energia.
A rendszer belső energiájának bármilyen változása hőátadásból vagy hőátadással végzett munkából erednak neka rendszer és az elvégzett munkatovábba rendszer növeli a belső energiát és a hőátadásttól tőla rendszer és az elvégzett munkaáltalcsökkenti a belső energiát. Maga a kifejezés könnyen használható és érthető, de az egyenletben a hőátadásra és az elvégzett munkára vonatkozó kifejezések megtalálása bizonyos esetekben kihívást jelenthet.
Példa a termodinamika első törvényére
A hőmotorok a termodinamikai rendszerek általános típusai, amelyek segítségével megérthetik a termodinamika első törvényének alapjait. A hőmotorok lényegében átalakítják a hőátadást felhasználható munkává egy négy lépésből álló folyamat révén, amely magában foglalja a hő hozzáadását a gáztartályba a nyomás növelése érdekében térfogatának növekedése következtében a nyomás csökken, amikor a hő kinyerhető a gázból, és végül a gáz tömörítve (azaz csökkentve a térfogatát), miközben azon dolgozunk, hogy visszahozzuk a rendszer eredeti állapotába és újra kezdjük a folyamatot újra.
Ugyanezt a rendszert gyakran idealizálják aCarnot-ciklus, amelyben az összes folyamat reverzibilis és nem jár változással az entrópiában, izotermikus (vagyis ugyanazon a hőmérsékleten) tágulás szakaszában, az adiabatikus tágulás szakasza (hőátadás nélkül), az izotermikus sűrítés szakasza és az adiabatikus sűrítés szakasza az eredeti helyreállításához állapot.
Mindkét folyamatot (az idealizált Carnot-ciklust és a hőmotor-ciklust) általában aPVdiagram (más néven nyomás-térfogat diagram), és ezt a két mennyiséget az ideális gáztörvény kapcsolja össze, amely kimondja:
PV = nRT
HolP= nyomás,V= kötet,n= a gáz móljainak száma,R= az egyetemes gázállandó = 8,314 J mol−1 K−1 ésT= hőmérséklet. A termodinamika első törvényével kombinálva ez a törvény felhasználható a hőmotor-ciklus szakaszainak leírására. Egy másik hasznos kifejezés adja a belső energiátUideális gázhoz:
U = \ frac {3} {2} nRT
A hőmotor ciklusa
A hőmotor-ciklus elemzésének egyszerű megközelítése az, ha elképzeljük a folyamatot egyPVábrázoljuk, mindegyik szakasz vagy állandó nyomáson (izobáros folyamat) vagy állandó térfogaton (izokhoros folyamat) zajlik.
Először is kezdveV1, hő hozzáadódik, és a nyomás emelkedikP1 nak nekP2, és mivel a hangerő állandó marad, tudja, hogy az elvégzett munka nulla. A probléma ezen szakaszának kezelése érdekében elkészíti az első és a második állapot ideális gáztörvényének két változatát (erre emlékezveVésnállandóak):P1V1 = nRT1 ésP2V1 = nRT2, majd vonja le az elsőt a másodikból, hogy megkapja:
V_1 (P_2-P_1) = nR (T_2 -T_1)
A hőmérséklet változásának megoldása:
(T_2 - T_1) = \ frac {V_1 (P_2 - P_1)} {nR}
Ha a belső energia változását keresi, akkor ezt beillesztheti a belső energia kifejezésbeUhogy:
\ begin {aligned} ∆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) \ vége {igazítva}
A ciklus második szakaszában a gáz térfogata kitágul (és így a gáz működik), és a folyamat során több hőt adnak hozzá (az állandó hőmérséklet fenntartása érdekében). Ebben az esetben a műWa gáz egyszerűen a térfogatváltozást megszorozva a nyomássalP2, amely a következőket adja:
W = P_2 (V_2 -V_1)
A hőmérsékletváltozás pedig az ideális gáztörvény alapján található meg, mint korábban (kivéve a tartástP2 állandóként, és emlékezve arra, hogy a hangerő változik), hogy:
T_2 - T_1 = \ frac {P_2 (V_2 - V_1)} {nR}
Ha meg szeretné tudni a hozzáadott hő pontos mennyiségét, akkor az adott hőegyenletet állandó nyomáson megtalálja. Ezen a ponton azonban közvetlenül kiszámíthatja a rendszer belső energiáját, mint korábban:
\ begin {aligned} ∆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) \ vége {igazítva}
A harmadik fokozat lényegében az első szakasz fordítottja, így a nyomás állandó térfogaton csökken (ezúttalV2), és a hőt kivonják a gázból. Ugyanezt a folyamatot dolgozhatja fel az ideális gáztörvény és a rendszer belső energiájának egyenlete alapján:
∆U = - \ frac {3} {2} V_2 (P_2 - P_1)
Ezúttal vegye figyelembe a vezető mínuszjelet, mert a hőmérséklet (és ezért az energia) csökkent.
Végül az utolsó szakaszban a térfogat csökken, amikor az ananolban kivont gázra és hőre dolgoznak izobár folyamat, amely nagyon hasonló kifejezést produkál, mint a mű legutóbbi alkalma, kivéve a vezetést mínusz jel:
W = -P_1 (V_2 -V_1)
Ugyanaz a számítás adja meg a belső energia változását, mint:
∆U = - \ frac {3} {2} P_1 (V_2 - V_1)
A termodinamika egyéb törvényei
A termodinamika első törvénye vitathatatlanul a fizikus számára a legpraktikusabb, de a másik három fő törvényt is érdemes röviden megemlíteni (bár részletesebben másokkal foglalkozunk cikkek). A termodinamika nulladik törvénye kimondja, hogy ha az A rendszer hőegyensúlyban van a B rendszerrel, és a B rendszer egyensúlyban van a C rendszerrel, akkor az A rendszer egyensúlyban van a C rendszerrel.
A termodinamika második törvénye kimondja, hogy bármely zárt rendszer entrópiája növekszik.
Végül a termodinamika harmadik törvénye kimondja, hogy egy rendszer entrópiája megközelíti az állandó értéket, amikor a hőmérséklet abszolút nulla lesz.