Termodinamikas likumi ir vieni no vissvarīgākajiem likumiem visā fizikā, un izpratne par to, kā katru no tiem pielietot, ir būtiska prasme jebkuram fizikas studentam.
Pirmais termodinamikas likums būtībā ir enerģijas saglabāšanas paziņojums, taču to ir daudz šim konkrētajam formulējumam jums būs jāsaprot, ja vēlaties atrisināt problēmas, kas saistītas ar siltumu dzinēji.
Uzzinot, kas ir adiabātiskie, izobariskie, izohoriskie un izotermiskie procesi, un kā piemērot pirmo Termodinamika šajās situācijās palīdz matemātiski aprakstīt termodinamiskās sistēmas uzvedību attīstās laikā.
Iekšējā enerģija, darbs un siltums
Pirmajam termodinamikas likumam, tāpat kā citiem termodinamikas likumiem, ir nepieciešama dažu galveno terminu izpratne. Thesistēmas iekšējā enerģijair izolētas molekulu sistēmas kopējās kinētiskās enerģijas un potenciālās enerģijas mērs; intuitīvi tas tikai nosaka sistēmā esošās enerģijas daudzumu.
Termodinamiskais darbsir darba apjoms, ko sistēma veic videi, piemēram, ar siltuma izraisītu gāzes izplešanos, virzot virzuli uz āru. Šis ir piemērs tam, kā siltumenerģiju termodinamiskā procesā var pārvērst mehāniskajā enerģijā, un tas ir daudzu dzinēju darbības pamatprincips.
Pagriezienā,karstumsvaisiltumenerģijair termodinamiskā enerģijas pārnešana starp divām sistēmām. Kad divas termodinamiskās sistēmas ir saskarē (nav atdalītas ar izolatoru) un atrodas dažādās temperatūrās, siltuma pārnešana notiek šādā veidā no karstāka ķermeņa uz vēsāku. Visi šie trīs lielumi ir enerģijas veidi, un tāpēc tos mēra džoulos.
Pirmais termodinamikas likums
Pirmajā termodinamikas likumā teikts, ka sistēmai pievienotais siltums papildina tās iekšējo enerģiju, savukārt sistēmas paveiktais darbs samazina iekšējo enerģiju. Simbolos jūs izmantojat∆Ulai apzīmētu iekšējās enerģijas izmaiņas,Jstāvēt uz siltuma pārnesi unWpar sistēmas paveikto darbu, un tāpēc pirmais termodinamikas likums ir:
∆U = Q - W
Tāpēc pirmais termodinamikas likums sistēmas iekšējo enerģiju saista ar divām enerģijas formām pārsūtīšana, kas var notikt, un kā tādu to vislabāk var uzskatīt par paziņojumu par saglabāšanas likumu enerģija.
Jebkuras izmaiņas sistēmas iekšējā enerģijā rodas vai nu no siltuma pārneses, vai no paveiktā darba ar siltuma pārnesiuzsistēma un paveiktais darbsieslēgtssistēma palielina iekšējo enerģiju un siltuma pārnesinosistēma un paveiktais darbspēctas samazina iekšējo enerģiju. Pats izteiciens ir viegli lietojams un saprotams, taču dažos gadījumos var būt grūti atrast derīgas izteiksmes par siltuma pārnesi un paveikto darbu vienādojumā.
Pirmā termodinamikas likuma piemērs
Siltuma dzinēji ir izplatīts termodinamiskās sistēmas veids, ko var izmantot, lai izprastu pirmā termodinamikas likuma pamatus. Siltuma dzinēji būtībā pārveido siltuma pārnesi par izmantojamu darbu, izmantojot četrpakāpju procesu, kas paredz siltuma pievienošanu gāzes rezervuāram lai palielinātu spiedienu, tā rezultātā palielinās tilpums, samazinoties spiedienam, kad no gāzes tiek iegūts siltums un, visbeidzot, gāze tiek saspiests (t.i., samazināts apjoms), kad tiek veikts darbs pie tā, lai atgrieztu to sistēmas sākotnējā stāvoklī un sāktu procesu no jauna atkal.
Šo pašu sistēmu bieži idealizē kāKarnot cikls, kurā visi procesi ir atgriezeniski un bez entropijas izmaiņām, ar izotermiskas (t.i., tajā pašā temperatūrā) izplešanās stadiju, adiabātiskās izplešanās pakāpe (bez siltuma pārneses), izotermiskās saspiešanas pakāpe un adiabātiskās saspiešanas pakāpe, lai to atgrieztu sākotnējā stāvoklī Valsts.
Abi šie procesi (idealizētais Carnot cikls un siltuma dzinēja cikls) parasti tiek parādīti uz aPVdiagramma (saukta arī par spiediena un tilpuma diagrammu), un šie divi lielumi ir saistīti ar ideālo gāzes likumu, kurā teikts:
PV = nRT
KurP= spiediens,V= tilpums,n= gāzes molu skaits,R= universālā gāzes konstante = 8,314 J mol−1 K−1 unT= temperatūra. Kombinācijā ar pirmo termodinamikas likumu šo likumu var izmantot, lai aprakstītu siltuma motora cikla posmus. Vēl viena noderīga izteiksme dod iekšējo enerģijuUideālai gāzei:
U = \ frac {3} {2} nRT
Siltuma dzinēja cikls
Vienkārša pieeja siltuma dzinēja cikla analīzei ir iedomāties procesu, kas notiek uz taisnleņķa kastesPVdiagramma, kurā katrs posms notiek vai nu ar pastāvīgu spiedienu (izobāra process), vai ar nemainīgu tilpumu (izohorisks process).
Pirmkārt, sākot noV1, tiek pievienots siltums un spiediens paaugstinās noP1 uzP2, un tā kā apjoms paliek nemainīgs, jūs zināt, ka paveiktais darbs ir nulle. Lai risinātu šo problēmas posmu, jūs izveidojat divas ideālā gāzes likuma versijas pirmajam un otrajam stāvoklim (to atcerotiesVunnir nemainīgi):P1V1 = nRT1 unP2V1 = nRT2un pēc tam atņemiet pirmo no otrā, lai iegūtu:
V_1 (P_2-P_1) = nR (T_2-T_1)
Temperatūras izmaiņu risināšana dod:
(T_2 - T_1) = \ frac {V_1 (P_2 - P_1)} {nR}
Ja jūs meklējat izmaiņas iekšējā enerģijā, tad varat to ievietot iekšējās enerģijas izteiksmēUdabūt:
\ begin {izlīdzināts} ∆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) \ beigas {izlīdzinātas}
Cikla otrajam posmam gāzes tilpums paplašinās (un tā gāze darbojas), un procesā tiek pievienots vairāk siltuma (lai uzturētu nemainīgu temperatūru). Šajā gadījumā darbsWko veic gāze, ir vienkārši tilpuma izmaiņas, reizinātas ar spiedienuP2, kas dod:
W = P_2 (V_2-V_1)
Un temperatūras izmaiņas tiek noteiktas ar ideālu gāzes likumu, tāpat kā līdz šim (izņemot turēšanuP2 kā konstante un atceroties, ka tilpums mainās), lai būtu:
T_2 - T_1 = \ frac {P_2 (V_2 - V_1)} {nR}
Ja vēlaties uzzināt precīzu pievienotās siltuma daudzumu, varat to izmantot specifiskā siltuma vienādojumā pie pastāvīga spiediena. Tomēr šajā brīdī jūs varat tieši aprēķināt sistēmas iekšējo enerģiju tāpat kā iepriekš:
\ begin {izlīdzināts} ∆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) \ beigas {izlīdzinātas}
Trešais posms būtībā ir pirmā posma reverss, tāpēc spiediens samazinās nemainīgā tilpumā (šoreizV2), un no gāzes tiek iegūts siltums. Jūs varat strādāt vienā un tajā pašā procesā, pamatojoties uz ideālo gāzes likumu un sistēmas iekšējās enerģijas vienādojumu, lai iegūtu:
∆U = - \ frac {3} {2} V_2 (P_2 - P_1)
Šoreiz ņemiet vērā vadošo mīnus zīmi, jo temperatūra (un līdz ar to arī enerģija) ir samazinājusies.
Visbeidzot, pēdējā posmā notiek tilpuma samazināšanās, kad tiek veikts darbs ar gāzi un siltumu, kas iegūts izobariskais process, kas rada ļoti līdzīgu izteicienu kā pēdējais darba laiks, izņemot ar vadību mīnus zīme:
W = -P_1 (V_2 -V_1)
Tas pats aprēķins dod izmaiņas iekšējā enerģijā kā:
∆U = - \ frac {3} {2} P_1 (V_2 - V_1)
Citi termodinamikas likumi
Pirmais termodinamikas likums, iespējams, ir praktiski visnoderīgākais fiziķim, bet otrs Trīs galvenie likumi ir arī īsa pieminēšanas vērti (lai gan tie sīkāk aplūkoti citos raksti). Termodinamikas nulles likums nosaka, ka, ja sistēma A atrodas siltuma līdzsvarā ar sistēmu B un sistēma B ir līdzsvarā ar sistēmu C, tad sistēma A ir līdzsvarā ar sistēmu C.
Otrais termodinamikas likums nosaka, ka jebkuras slēgtas sistēmas entropijai ir tendence palielināties.
Visbeidzot, trešais termodinamikas likums nosaka, ka sistēmas entropija tuvojas nemainīgai vērtībai, kad temperatūra tuvojas absolūtai nullei.
