열역학 법칙은 모든 물리학에서 가장 중요한 법칙 중 일부이며, 각각의 법칙을 적용하는 방법을 이해하는 것은 모든 물리학 학생에게 중요한 기술입니다.
열역학의 첫 번째 법칙은 본질적으로 에너지 보존에 대한 진술이지만 많은 용도가 있습니다 이 특정 공식의 경우 열과 관련된 문제를 해결하려면 이해해야합니다. 엔진.
단열, 등압, 등압 및 등온 과정이 무엇인지 배우고 첫 번째 법칙을 적용하는 방법 이러한 상황에서 열역학은 열역학 시스템의 동작을 수학적으로 설명하는 데 도움이됩니다. 시간이 지남에 따라 진화합니다.
내부 에너지, 일 및 열
열역학의 다른 법칙과 마찬가지로 열역학의 제 1 법칙은 몇 가지 핵심 용어에 대한 이해를 필요로합니다. 그만큼시스템의 내부 에너지분리 된 분자 시스템의 총 운동 에너지와 위치 에너지의 척도입니다. 직관적으로 이것은 시스템에 포함 된 에너지의 양을 정량화합니다.
열역학 작업예를 들어, 피스톤을 바깥쪽으로 밀어내는 가스의 열에 의한 팽창에 의해 시스템이 환경에 대해 수행하는 작업의 양입니다. 이것은 열역학 과정에서 열 에너지가 어떻게 기계적 에너지로 변환 될 수 있는지에 대한 예이며, 많은 엔진 작동의 핵심 원리입니다.
차례로,열또는열 에너지두 시스템 간의 열역학적 에너지 전달입니다. 두 열역학 시스템이 접촉하고 (절연체로 분리되지 않음) 서로 다른 온도에있을 때, 이러한 방식으로 더 뜨거운 몸체에서 더 차가운 몸체로 열이 전달됩니다. 이 세 가지 양은 모두 에너지의 형태이므로 줄 단위로 측정됩니다.
열역학 제 1 법칙
열역학의 첫 번째 법칙은 시스템에 추가 된 열이 내부 에너지에 추가되는 반면 시스템이 수행하는 작업은 내부 에너지를 감소 시킨다고 말합니다. 기호에서는∆U내부 에너지의 변화를 나타 내기 위해큐열 전달을 의미하고W시스템에 의해 수행되는 작업에 대해 열역학의 첫 번째 법칙은 다음과 같습니다.
∆U = Q-W
따라서 열역학의 첫 번째 법칙은 시스템의 내부 에너지를 두 가지 형태의 에너지와 관련시킵니다 전이가 발생할 수 있으며, 따라서 보존법의 성명서로 생각하는 것이 가장 좋습니다. 에너지.
시스템의 내부 에너지에 대한 모든 변경은 열 전달 또는 열 전달과 함께 수행 된 작업에서 발생합니다....에시스템 및 작업 완료의 위에시스템 내부 에너지 증가 및 열 전달...에서시스템 및 작업 완료으로그것은 내부 에너지를 감소시킵니다. 표현 자체는 사용하고 이해하기 쉽지만, 열 전달에 대한 유효한 표현과 방정식에 사용하기 위해 수행 된 작업을 찾는 것은 경우에 따라 어려울 수 있습니다.
열역학 제 1 법칙의 예
열 엔진은 열역학 제 1 법칙의 기초를 이해하는 데 사용할 수있는 일반적인 유형의 열역학 시스템입니다. 열 엔진은 기본적으로 열을 가스 저장소에 추가하는 4 단계 프로세스를 통해 열 전달을 사용 가능한 작업으로 변환합니다. 압력을 높이기 위해 그 결과 부피가 팽창하고 가스에서 열이 추출됨에 따라 압력이 감소하고 마지막으로 가스가 시스템의 원래 상태로 되돌리고 프로세스를 다시 시작하기위한 작업이 수행됨에 따라 압축 (즉, 볼륨 감소) 다시.
이 동일한 시스템은 종종카르노 사이클, 모든 공정이 가역적이며 등온 (즉, 동일한 온도에서) 팽창 단계와 함께 엔트로피의 변화가 없습니다. 단열 팽창 단계 (열 전달 없음), 등온 압축 단계 및 단열 압축 단계를 통해 원래 상태로 되돌립니다. 상태.
이 두 프로세스 (이상화 된 카르노 사이클 및 열 엔진 사이클)는 일반적으로PV다이어그램 (압력-체적 플롯이라고도 함)이며이 두 양은 다음과 같은 이상 기체 법칙과 관련이 있습니다.
PV = nRT
어디피= 압력,V= 부피,엔= 가스의 몰수,아르 자형= 범용 가스 상수 = 8.314 J mol−1 케이−1 과티= 온도. 열역학의 첫 번째 법칙과 함께이 법칙은 열 엔진 사이클의 단계를 설명하는 데 사용할 수 있습니다. 또 다른 유용한 표현은 내부 에너지를 제공합니다유이상 기체의 경우 :
U = \ frac {3} {2} nRT
열 엔진 사이클
열 엔진 사이클을 분석하는 간단한 접근 방식은 다음과 같은 일직선 상자에서 발생하는 프로세스를 상상하는 것입니다.PV플롯, 각 단계는 일정한 압력 (등압 과정) 또는 일정한 부피 (등압 과정)에서 발생합니다.
먼저V1, 열이 추가되고 압력이피1 ...에피2, 볼륨이 일정하게 유지되므로 수행 된 작업이 0이라는 것을 알 수 있습니다. 문제의이 단계를 해결하기 위해 첫 번째와 두 번째 상태에 대한 이상 기체 법칙의 두 가지 버전을 만듭니다 (V과엔일정 함) :피1V1 = nRT1 과피2V1 = nRT2, 두 번째에서 첫 번째를 빼서 다음을 얻습니다.
V_1 (P_2-P_1) = nR (T_2 -T_1)
온도 변화를 해결하면 다음을 얻을 수 있습니다.
(T_2-T_1) = \ frac {V_1 (P_2-P_1)} {nR}
내부 에너지의 변화를 찾으면 이것을 내부 에너지 표현에 삽입 할 수 있습니다.유얻으려면 :
\ 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) \ end {aligned}
사이클의 두 번째 단계에서 가스의 부피가 확장되고 (따라서 가스가 작동하므로) 공정에 더 많은 열이 추가됩니다 (일정한 온도를 유지하기 위해). 이 경우 작업W가스에 의해 수행되는 것은 단순히 부피의 변화에 압력을 곱한 것입니다.피2, 다음을 제공합니다.
W = P_2 (V_2 -V_1)
그리고 온도의 변화는 이전과 같이 이상 기체 법칙으로 발견됩니다.피2 일정하고 볼륨이 변경됨을 기억),
T_2-T_1 = \ frac {P_2 (V_2-V_1)} {nR}
추가 된 열의 정확한 양을 확인하려면 일정한 압력에서 비열 방정식을 사용하여 찾을 수 있습니다. 그러나 이전과 같이이 시점에서 시스템의 내부 에너지를 직접 계산할 수 있습니다.
\ 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) \ end {aligned}
세 번째 단계는 기본적으로 첫 번째 단계의 반대이므로 압력이 일정한 부피로 감소합니다 (이번에는V2), 가스에서 열이 추출됩니다. 이상 기체 법칙과 시스템 내부 에너지 방정식을 기반으로 동일한 프로세스를 수행하여 다음을 얻을 수 있습니다.
∆U =-\ frac {3} {2} V_2 (P_2-P_1)
이번에는 온도 (및 에너지)가 감소했기 때문에 선행 마이너스 기호에 유의하십시오.
마지막으로, 마지막 단계에서는 가스 및 가스에 대한 작업이 수행됨에 따라 부피가 감소합니다. 등압 과정, 작업의 마지막 시간과 매우 유사한 표현을 생성합니다. 빼기 기호 :
W = -P_1 (V_2 -V_1)
동일한 계산은 내부 에너지의 변화를 다음과 같이 제공합니다.
∆U =-\ frac {3} {2} P_1 (V_2-V_1)
열역학의 다른 법칙
열역학의 첫 번째 법칙은 물리학 자에게 가장 실질적으로 유용한 법칙이지만 다른 법칙은 세 가지 주요 법칙도 간단히 언급 할 가치가 있습니다. 조항). 열역학 제로 법칙에 따르면 시스템 A가 시스템 B와 열 평형을 이루고 시스템 B가 시스템 C와 평형을 이루면 시스템 A가 시스템 C와 평형을 이룹니다.
열역학의 두 번째 법칙은 닫힌 시스템의 엔트로피가 증가하는 경향이 있다고 말합니다.
마지막으로 열역학의 세 번째 법칙은 온도가 절대 영도에 가까워짐에 따라 시스템의 엔트로피가 일정한 값에 접근한다고 말합니다.
