Termodinamikos dėsniai yra vieni iš svarbiausių dėsnių visoje fizikoje, o suprasti, kaip juos pritaikyti, yra esminis įgūdis kiekvienam fizikos studentui.
Pirmasis termodinamikos dėsnis iš esmės yra energijos išsaugojimo teiginys, tačiau jų yra daugybė šiai konkrečiai formuluotei turėsite suprasti, jei norite išspręsti problemas, susijusias su karščiu varikliai.
Sužinokite, kas yra adiabatiniai, izobariniai, izohoriniai ir izoterminiai procesai ir kaip pritaikyti pirmąjį Termodinamika šiose situacijose padeda matematiškai apibūdinti termodinaminės sistemos elgesį vystosi laike.
Vidaus energija, darbas ir šiluma
Pirmasis termodinamikos dėsnis, kaip ir kiti termodinamikos dėsniai, reikalauja suprasti kai kuriuos pagrindinius terminus. Thevidinė sistemos energijayra izoliuotos molekulių sistemos bendrosios kinetinės energijos ir potencialios energijos matas; intuityviai tai tik kiekybiškai įvertina sistemoje esančio energijos kiekį.
Termodinaminis darbasyra sistemos darbo su aplinka kiekis, pavyzdžiui, šilumos sukeltas dujų išsiplėtimas stūmoklį į išorę. Tai yra pavyzdys, kaip šilumos energija termodinaminiame procese gali būti paversta mechanine energija, ir tai yra pagrindinis daugelio variklių veikimo principas.
Savo ruožtušilumosarbašiluminė energijayra termodinaminis energijos perdavimas tarp dviejų sistemų. Kai dvi termodinaminės sistemos liečiasi (nėra atskirtos izoliatoriumi) ir yra skirtingose temperatūrose, šilumos perdavimas vyksta tokiu būdu, nuo karštesnio kūno link šaltesnio. Visi šie trys dydžiai yra energijos formos, todėl jie matuojami džauliais.
Pirmasis termodinamikos dėsnis
Pirmasis termodinamikos dėsnis teigia, kad į sistemą pridėta šiluma papildo jos vidinę energiją, o sistemos atliktas darbas sumažina vidinę energiją. Simboliuose jūs naudojate∆Užymėti vidinės energijos pokyčius,Klausimasstovėti šilumos perdavimui irWsistemos atliktam darbui, taigi pirmasis termodinamikos dėsnis yra:
=U = Q - W
Pirmasis termodinamikos dėsnis vidinę sistemos energiją sieja su dviem energijos formomis perkėlimas, kuris gali įvykti, ir kaip tokį jį geriausia galvoti kaip apie gamtos išsaugojimo dėsnį energijos.
Bet kokie sistemos vidinės energijos pokyčiai atsiranda dėl šilumos perdavimo arba atlikto darbo su šilumos perdavimuįsistema ir atliktas darbasantsistema didina vidinę energiją ir šilumos perdavimąnuosistema ir atliktas darbaspateikėtai sumažina vidinę energiją. Pačią išraišką lengva naudoti ir suprasti, tačiau kai kuriais atvejais gali būti sudėtinga rasti tinkamas šilumos perdavimo ir atliktų darbų išraiškas lygtyje.
Pirmojo termodinamikos dėsnio pavyzdys
Šiluminiai varikliai yra įprastas termodinaminės sistemos tipas, kuris gali būti naudojamas suprasti pirmojo termodinamikos dėsnio pagrindus. Šilumos varikliai iš esmės konvertuoja šilumos perdavimą į naudingą darbą per keturių pakopų procesą, kurio metu į dujų rezervuarą įpilama šilumos norėdamas padidinti slėgį, dėl to jis plečiasi, slėgis mažėja, kai šiluma išgaunama iš dujų ir galiausiai dujos suspaustas (t. y. sumažintas tūris), kai dirbama su juo, norint grąžinti jį į pradinę sistemos būseną ir pradėti procesą iš naujo vėl.
Ta pati sistema dažnai idealizuojama kaipKarno ciklas, kuriame visi procesai yra grįžtami ir nekeičia entropijos, o izoterminio (t. y. tos pačios temperatūros) išsiplėtimo stadija yra adiabatinio išsiplėtimo stadija (be šilumos perdavimo), izoterminio suspaudimo stadija ir adiabatinio suspaudimo stadija, kad ji būtų grąžinta į pradinę valstija.
Abu šie procesai (idealizuotas Karno ciklas ir šilumos variklio ciklas) paprastai braižomi aPVdiagrama (dar vadinama slėgio ir tūrio diagrama), o šie du dydžiai yra susieti pagal idealų dujų įstatymą, kuriame teigiama:
PV = nRT
KurP= slėgis,V= tūris,n= dujų molių skaičius,R= universali dujų konstanta = 8,314 J mol−1 K.−1 irT= temperatūra. Kartu su pirmuoju termodinamikos dėsniu šis dėsnis gali būti naudojamas apibūdinant šilumos variklio ciklo etapus. Kita naudinga išraiška suteikia vidinę energijąUidealioms dujoms:
U = \ frac {3} {2} nRT
Šilumos variklio ciklas
Paprastas būdas analizuoti šiluminių variklių ciklą yra įsivaizduoti procesą, vykstantį tiesiapusėje dėžutėjePVdiagrama, kai kiekvienas etapas vyksta arba esant pastoviam slėgiui (izobarinis procesas), arba pastoviam tūriui (izohorinis procesas).
Pirma, pradedant nuoV1, pridedama šiluma ir slėgis pakyla nuoP1 įP2, ir kadangi garsumas išlieka pastovus, žinote, kad atliktas darbas yra lygus nuliui. Norėdami išspręsti šią problemos stadiją, sukursite dvi idealios pirmosios ir antrosios valstybės dujų įstatymų versijas (tai prisimindamiVirnyra pastovūs):P1V1 = nRT1 irP2V1 = nRT2ir tada atimkite pirmąjį iš antrojo, kad gautumėte:
V_1 (P_2-P_1) = nR (T_2-T_1)
Temperatūros pokyčių sprendimas suteikia:
(T_2 - T_1) = \ frac {V_1 (P_2 - P_1)} {nR}
Jei ieškote vidinės energijos pokyčio, galite tai įterpti į vidinės energijos išraiškąUgauti:
\ 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) \ pabaiga {lygiuota}
Antrajame ciklo etape dujų tūris plečiasi (taigi dujos veikia), o procese pridedama daugiau šilumos (norint palaikyti pastovią temperatūrą). Šiuo atveju darbasWdujos yra tiesiog tūrio pokytis, padaugintas iš slėgioP2, kuris suteikia:
W = P_2 (V_2-V_1)
Temperatūros pokytis nustatomas pagal idealų dujų įstatymą, kaip ir anksčiau (išskyrus išlaikymąP2 kaip pastovus ir atsimenantis, kad keičiasi garsumas), būti:
T_2 - T_1 = \ frac {P_2 (V_2 - V_1)} {nR}
Jei norite sužinoti tikslų pridėtinės šilumos kiekį, galite jį rasti naudodami specifinę šilumos lygtį esant pastoviam slėgiui. Tačiau šiuo metu galite tiesiogiai apskaičiuoti sistemos vidinę energiją, kaip ir anksčiau:
\ 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) \ pabaiga {lygiuota}
Trečiasis etapas iš esmės yra atvirkštinis pirmajam etapui, todėl slėgis mažėja pastoviu tūriu (šį kartąV2), o šiluma išgaunama iš dujų. Galite dirbti per tą patį procesą, remdamiesi idealiu dujų įstatymu ir sistemos vidinės energijos lygtimi:
∆U = - \ frac {3} {2} V_2 (P_2 - P_1)
Šį kartą atkreipkite dėmesį į priekinį minuso ženklą, nes temperatūra (taigi ir energija) sumažėjo.
Galiausiai paskutiniame etape sumažėja tūris, kai atliekamas darbas su dujų ir šilumos išmetimu izobarinis procesas, kuriantis labai panašią į kūrinio išraišką, išskyrus kūrinio vedimą minuso ženklas:
W = -P_1 (V_2 -V_1)
Tas pats skaičiavimas pateikia vidinės energijos pokytį kaip:
∆U = - \ frac {3} {2} P_1 (V_2 - V_1)
Kiti termodinamikos dėsniai
Pirmasis termodinamikos dėsnis, be abejo, praktiškai naudingiausias fizikui, bet kitas Trys pagrindiniai įstatymai taip pat verta trumpai paminėti (nors jie išsamiau aprašyti kituose straipsniai). Nulinis termodinamikos dėsnis teigia, kad jei A sistema yra šiluminėje pusiausvyroje su B sistema, o B sistema yra pusiausvyroje su C sistema, tai A sistema yra pusiausvyroje su C sistema.
Antrasis termodinamikos dėsnis teigia, kad bet kurios uždaros sistemos entropija linkusi didėti.
Galiausiai trečiasis termodinamikos dėsnis teigia, kad sistemos entropija artėja prie pastovios vertės, kai temperatūra artėja prie absoliutaus nulio.