თერმოდინამიკის კანონები რამდენიმე ყველაზე მნიშვნელოვანი კანონია ფიზიკაში და თითოეული მათგანის გამოყენების გაგება ფიზიკის ნებისმიერი სტუდენტისთვის გადამწყვეტი უნარია.
თერმოდინამიკის პირველი კანონი არსებითად ენერგიის დაზოგვის დებულებაა, მაგრამ მრავალი გამოყენება არსებობს ამ სპეციფიკური ფორმულირებისთვის უნდა გესმოდეთ, თუ გსურთ პრობლემების მოგვარება, როგორიცაა სითბო ძრავები.
იმის ცოდნა, თუ რა არის ადიაბატური, იზობარული, იზოქორიული და იზოთერმული პროცესები და როგორ უნდა გამოვიყენოთ პირველი კანონის თერმოდინამიკა ამ სიტუაციებში გეხმარებათ მათემატიკურად აღწეროთ თერმოდინამიკური სისტემის ქცევა დროულად ვითარდება.
შინაგანი ენერგია, სამუშაო და სითბო
თერმოდინამიკის პირველი კანონი - ისევე როგორც თერმოდინამიკის სხვა კანონები - მოითხოვს ზოგიერთი ძირითადი ტერმინების გაგებას.სისტემის შიდა ენერგიაარის მოლეკულების იზოლირებული სისტემის მთლიანი კინეტიკური ენერგიისა და პოტენციური ენერგიის საზომი; ინტუიციურად, ეს მხოლოდ განსაზღვრავს სისტემაში არსებული ენერგიის რაოდენობას.
თერმოდინამიკური სამუშაოარის სამუშაოს მოცულობა, რომელსაც სისტემა ასრულებს გარემოზე, მაგალითად, გაზის სითბოთი გამოწვეული გაფართოებით, რომელიც დგუშს მიმართავს გარეთ. ეს არის მაგალითი იმისა, თუ როგორ შეიძლება თერმოდინამიკურ პროცესში სითბოს ენერგია გადაიქცეს მექანიკურ ენერგიად და ეს არის მრავალი ძრავის მუშაობის ძირითადი პრინციპი.
Თავის მხრივ,სიცხეანთერმული ენერგიაარის თერმოდინამიკური ენერგიის გადაცემა ორ სისტემას შორის. როდესაც ორი თერმოდინამიკური სისტემა კონტაქტშია (არ არის გამოყოფილი იზოლატორით) და სხვადასხვა ტემპერატურაზე იმყოფებიან, სითბოს გადაცემა ხდება ამ გზით, უფრო ცხელი სხეულიდან უფრო ცივიდან. სამივე ეს სიდიდე ენერგიის ფორმებია და ამიტომ იზომება ჯოულებით.
თერმოდინამიკის პირველი კანონი
თერმოდინამიკის პირველი კანონი აცხადებს, რომ სისტემაში დამატებული სითბო ემატება მის შინაგან ენერგიას, ხოლო სისტემის მიერ შესრულებული სამუშაო ამცირებს შინაგან ენერგიას. სიმბოლოებში იყენებთ∆Uშინაგანი ენერგიის ცვლილების აღსანიშნავად,Qდადგეს სითბოს გადაცემა დავსისტემის მიერ შესრულებული სამუშაოსთვის და ამიტომ თერმოდინამიკის პირველი კანონია:
=U = Q - W
ამიტომ თერმოდინამიკის პირველი კანონი უკავშირებს სისტემის შინაგან ენერგიას ენერგიის ორ ფორმას გადაცემა, რომელიც შეიძლება განხორციელდეს და, როგორც ასეთი, ის საუკეთესოდ მოიაზრება როგორც კონსერვაციის კანონის განცხადება ენერგია
სისტემის შიდა ენერგიის ნებისმიერი ცვლილება მოდის სითბოს გადაცემაზე ან შესრულებულ სამუშაოზე, სითბოს გადაცემითრომსისტემა და შესრულებული სამუშაოჩართულისისტემა ზრდის შიდა ენერგიას და სითბოს გადაცემასდანსისტემა და შესრულებული სამუშაოავტორიეს ამცირებს შინაგან ენერგიას. თვითგამოხატვა მარტივია გამოსაყენებლად და გასაგებად, მაგრამ სითბოს გადაცემისა და განტოლებაში გამოყენებული სამუშაოსთვის გამოთქმული გამონათქვამების მოძებნა შეიძლება რთული იყოს ზოგიერთ შემთხვევაში.
თერმოდინამიკის პირველი კანონის მაგალითი
სითბოს ძრავები არის თერმოდინამიკური სისტემის გავრცელებული ტიპი, რომლის საშუალებითაც შეიძლება გავიგოთ თერმოდინამიკის პირველი კანონის საფუძვლები. სითბური ძრავები არსებითად გარდაქმნის სითბოს გადაყვანას სასარგებლო სამუშაოში ოთხსაფეხურიანი პროცესის საშუალებით, რაც გულისხმობს სითბოს დამატებას გაზის რეზერვუარში. მისი წნევის გასაზრდელად, იგი ფართოვდება მოცულობით, ხდება წნევის შემცირება გაზზე სითბოს მოპოვების შედეგად და ბოლოს გაზი შეკუმშული (ე.ი. მოცულობის შემცირება), რადგან მასზე მუშაობა მიმდინარეობს სისტემის თავდაპირველ მდგომარეობაში დასაბრუნებლად და პროცესის თავიდან დასაწყებად ისევ
ეს იგივე სისტემა ხშირად იდეალიზებულია, როგორც აკარნოტის ციკლი, რომელშიც ყველა პროცესი შექცევადია და არ შეიცავს ენტროპიის ცვლილებას, იზოთერმული (ანუ იმავე ტემპერატურაზე) გაფართოების ეტაპზე, ადიაბატური გაფართოების ეტაპი (სითბოს გადაცემის გარეშე), იზოთერმული შეკუმშვის ეტაპი და ადიაბატური შეკუმშვის ეტაპი, რომ იგი დაბრუნდეს საწყისში სახელმწიფო
ეს ორივე პროცესი (კარნოტის იდეალიზირებული ციკლი და სითბოს ძრავის ციკლი) ჩვეულებრივ ასახულია აPVდიაგრამა (ასევე წნევის მოცულობის ნაკვეთი) და ამ ორ რაოდენობას უკავშირდება იდეალური გაზის კანონი, რომელშიც ნათქვამია:
PV = nRT
სადპ= ზეწოლა,ვ= მოცულობა,ნ= გაზის მოლების რაოდენობა,რ= გაზის უნივერსალური მუდმივა = 8.314 J მოლი−1 კ−1 დათ= ტემპერატურა. თერმოდინამიკის პირველ კანთან ერთად, ეს კანონი შეიძლება გამოყენებულ იქნას სითბური ძრავის ციკლის ეტაპების აღსაწერად. კიდევ ერთი სასარგებლო გამოთქმა იძლევა შინაგან ენერგიასუიდეალური გაზისთვის:
U = \ frac {3} {2} nRT
სითბოს ძრავის ციკლი
სითბოს ძრავის ციკლის ანალიზის მარტივი მიდგომაა წარმოდგენა, რომ პროცესი მიმდინარეობს სწორმხრივ ყუთშიPVნაკვეთი, თითოეული ეტაპი ან მიმდინარეობს მუდმივ წნევაზე (იზობარული პროცესი) ან მუდმივი მოცულობით (იზოკორული პროცესი).
პირველი, დაწყებულივ1, ემატება სითბო და ზეწოლა იზრდებაპ1 რომპ2და რადგან მოცულობა მუდმივი რჩება, თქვენ იცით, რომ შესრულებული სამუშაო ნულოვანია. პრობლემის ამ ეტაპის მოსაგვარებლად, თქვენ გააკეთებთ გაზის იდეალური კანონის პირველ ვარიანტს პირველი და მეორე მდგომარეობისთვის (ვდანმუდმივია):პ1ვ1 = nRT1 დაპ2ვ1 = nRT2და შემდეგ გამოაკელით პირველი მეორის მისაღებად:
V_1 (P_2-P_1) = nR (T_2 -T_1)
ტემპერატურის ცვლილების გადაჭრა იძლევა:
(T_2 - T_1) = \ frac {V_1 (P_2 - P_1)} {nR}
თუ თქვენ ეძებთ შინაგანი ენერგიის ცვლილებას, ამის შემდეგ შეგიძლიათ ჩასვათ შინაგანი ენერგიის გამოხატვაშიუმიღება:
\ დაწყება {გასწორება} &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) \ დასრულება {გასწორებული}
ციკლის მეორე ეტაპისთვის, აირის მოცულობა ფართოვდება (და ასე მუშაობს გაზი) და პროცესს ემატება მეტი სითბო (მუდმივი ტემპერატურის შესანარჩუნებლად). ამ შემთხვევაში, მუშაობავგაზით გაკეთდა უბრალოდ მოცულობის ცვლილება, რომელიც გამრავლებულია წნევაზეპ2, რომელიც იძლევა:
W = P_2 (V_2 -V_1)
ტემპერატურის ცვლილება გვხვდება გაზის იდეალურ კანონში, როგორც ადრე (გარდა შენახვისა)პ2 როგორც მუდმივი და მახსოვს, რომ მოცულობა იცვლება), იყოს:
T_2 - T_1 = \ frac {P_2 (V_2 - V_1)} {nR}
თუ გსურთ გაიგოთ დასამატებელი სითბოს ზუსტი რაოდენობა, მისი დასადგენად შეგიძლიათ გამოიყენოთ კონკრეტული სითბოს განტოლება მუდმივ წნევაზე. ამასთან, ამ ეტაპზე შეგიძლიათ პირდაპირ გამოთვალოთ სისტემის შიდა ენერგია:
\ დაწყება {გასწორება} &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) \ დასრულება {გასწორებული}
მესამე ეტაპი არსებითად პირველი ეტაპის საპირისპიროა, ამიტომ წნევა მცირდება მუდმივი მოცულობით (ამჯერად)ვ2), და აირს იღებენ სითბოდან. თქვენ შეგიძლიათ იმუშაოთ იმავე პროცესის საფუძველზე, გაზის იდეალური კანონისა და სისტემის შიდა ენერგიის განტოლების საფუძველზე, რომ მიიღოთ:
=U = - \ frac {3} {2} V_2 (P_2 - P_1)
ამჯერად გაითვალისწინეთ წამყვანი მინუს ნიშანი, რადგან ტემპერატურა (და შესაბამისად ენერგია) შემცირდა.
დაბოლოს, ბოლო ეტაპზე ხდება მოცულობის შემცირება, რადგან მუშაობა ხდება გაზში და სითბოს მოპოვებაში იზობარული პროცესი, რომელიც ქმნის მსგავსი ნამუშევრის ბოლო დროს წარმოდგენას, გარდა წამყვანისა მინუს ნიშანი:
W = -P_1 (V_2 -V_1)
იგივე გაანგარიშება იძლევა შინაგანი ენერგიის ცვლილებას, როგორც:
=U = - \ frac {3} {2} P_1 (V_2 - V_1)
თერმოდინამიკის სხვა კანონები
თერმოდინამიკის პირველი კანონი, სავარაუდოდ, ყველაზე პრაქტიკულად სასარგებლოა ფიზიკოსისთვის, მაგრამ მეორე მოკლედ უნდა აღინიშნოს სამი ძირითადი კანონიც (თუმცა ისინი უფრო დეტალურად არის განხილული სხვებში სტატიები). თერმოდინამიკის ნულოვანი კანონი აცხადებს, რომ თუ A სისტემა თერმული წონასწორობაშია B სისტემასთან, ხოლო B სისტემა წონასწორობაა C სისტემასთან, მაშინ A სისტემა წონასწორობაა C სისტემასთან.
თერმოდინამიკის მეორე კანონი ამბობს, რომ ნებისმიერი დახურული სისტემის ენტროპია იზრდება.
დაბოლოს, თერმოდინამიკის მესამე კანონი ამბობს, რომ სისტემის ენტროპია უახლოვდება მუდმივ მნიშვნელობას, რადგან ტემპერატურა აბსოლუტურ ნულს უახლოვდება.