Lovene om termodynamikk er noen av de viktigste lovene i all fysikk, og å forstå hvordan man bruker hver av dem er en avgjørende ferdighet for enhver fysikkstudent.
Den første loven om termodynamikk er egentlig en uttalelse om bevaring av energi, men det er mange bruksområder for denne spesifikke formuleringen må du forstå om du vil løse problemer som involverer ting som varme motorer.
Lære hva adiabatiske, isobariske, isokoriske og isotermiske prosesser er, og hvordan man bruker den første loven om termodynamikk i disse situasjonene, hjelper deg matematisk å beskrive oppførselen til et termodynamisk system slik det er utvikler seg i tid.
Intern energi, arbeid og varme
Den første loven om termodynamikk - som de andre lovene om termodynamikk - krever forståelse av noen nøkkelord. Deindre energi i et systemer et mål på den totale kinetiske energien og potensielle energien til et isolert system av molekyler; intuitivt kvantifiserer dette bare mengden energi som systemet inneholder.
Termodynamisk arbeid
I sin turvarmeellerTermisk energier den termodynamiske energioverføringen mellom to systemer. Når to termodynamiske systemer er i kontakt (ikke atskilt av en isolator) og har forskjellige temperaturer, skjer varmeoverføring på denne måten, fra den varmere kroppen mot den kaldere. Alle disse tre størrelsene er former for energi, og måles også i joule.
Den første loven om termodynamikk
Den første loven om termodynamikk sier at varmen som tilføres systemet tilfører den indre energien, mens arbeidet som gjøres av systemet reduserer den indre energien. I symboler bruker du∆Uå betegne endringen i intern energi,Spørsmålå stå for varmeoverføring ogWfor arbeidet som er utført av systemet, og så er den første loven om termodynamikk:
∆U = Q - W
Den første loven om termodynamikk knytter derfor systemets indre energi til to energiformer overføring som kan finne sted, og som sådan er det best å tenke på som en uttalelse om loven om bevaring av energi.
Eventuelle endringer i systemets interne energi kommer fra enten varmeoverføring eller utført arbeid med varmeoverføringtilsystemet og utført arbeidpåsystemet øker intern energi og varmeoverføringfrasystemet og utført arbeidavdet reduserer den indre energien. Uttrykket i seg selv er enkelt å bruke og forstå, men å finne gyldige uttrykk for varmeoverføring og arbeid gjort for å bruke i ligningen kan i noen tilfeller være utfordrende.
Eksempel på den første loven om termodynamikk
Varmemotorer er en vanlig type termodynamisk system som kan brukes til å forstå det grunnleggende i den første loven om termodynamikk. Varmemotorer omdanner i hovedsak varmeoverføring til brukbart arbeid gjennom en firetrinnsprosess som innebærer at varme tilføres et reservoar med gass for å øke trykket, utvider det seg i volum som et resultat, og trykket reduseres når varmen ekstraheres fra gassen og til slutt gassen komprimert (dvs. redusert i volum) når det jobbes med det for å bringe det tilbake til systemets opprinnelige tilstand og starte prosessen på nytt en gang til.
Det samme systemet er ofte idealisert som enCarnot syklus, hvor alle prosessene er reversible og ikke involverer noen endring i entropi, med et stadium av isotermisk ekspansjon (dvs. ved samme temperatur), en stadium av adiabatisk utvidelse (uten varmeoverføring), et stadium av isoterm kompresjon og et stadium av adiabatisk kompresjon for å bringe det tilbake til originalen stat.
Begge disse prosessene (den idealiserte Carnot-syklusen og varmemotorsyklusen) er vanligvis tegnet på enPVdiagram (også kalt et trykkvolumplott), og disse to størrelsene er relatert av den ideelle gassloven, som sier:
PV = nRT
HvorP= trykk,V= volum,n= antall mol gass,R= den universelle gasskonstanten = 8,314 J mol−1 K−1 ogT= temperatur. I kombinasjon med termodynamikkens første lov, kan denne loven brukes til å beskrive trinnene i en varmemotorsyklus. Et annet nyttig uttrykk gir den indre energienUfor en ideell gass:
U = \ frac {3} {2} nRT
Varmemotorsyklusen
En enkel tilnærming til å analysere varmemotorsyklusen er å forestille seg at prosessen foregår på en ensidig boks iPVplot, hvor hvert trinn enten finner sted ved et konstant trykk (en isobarisk prosess) eller et konstant volum (en isokorisk prosess).
Først fra og medV1, tilsettes varme og trykket stiger fraP1 tilP2, og siden volumet forblir konstant, vet du at utført arbeid er null. For å takle denne fasen av problemet lager du to versjoner av den ideelle gassloven for den første og andre tilstanden (husk detVogner konstante):P1V1 = nRT1 ogP2V1 = nRT2, og trekk deretter den første fra den andre for å få:
V_1 (P_2-P_1) = nR (T_2 -T_1)
Å løse forandringen i temperatur gir:
(T_2 - T_1) = \ frac {V_1 (P_2 - P_1)} {nR}
Hvis du ser etter endringen i indre energi, kan du deretter sette dette inn i uttrykket for indre energiUå få:
\ begin {align} ∆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) \ ende {justert}
For det andre trinnet i syklusen utvides volumet av gassen (og slik fungerer gassen) og mer varme tilsettes i prosessen (for å opprettholde en konstant temperatur). I dette tilfellet, arbeidetWgjort av gassen er ganske enkelt endringen i volum multiplisert med trykketP2, som gir:
W = P_2 (V_2-V_1)
Og temperaturendringen er funnet med den ideelle gassloven, som før (bortsett fra å holdeP2 som en konstant og husker at volumet endres), for å være:
T_2 - T_1 = \ frac {P_2 (V_2 - V_1)} {nR}
Hvis du vil finne ut den nøyaktige mengden tilført varme, kan du bruke den spesifikke varmeligningen ved et konstant trykk for å finne den. Du kan imidlertid direkte beregne systemets interne energi på dette punktet som før:
\ begin {align} ∆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}
Det tredje trinnet er egentlig det motsatte av det første trinnet, så trykket avtar med et konstant volum (denne gangenV2), og varme blir ekstrahert fra gassen. Du kan jobbe gjennom den samme prosessen basert på den ideelle gassloven og ligningen for systemets indre energi for å få:
∆U = - \ frac {3} {2} V_2 (P_2 - P_1)
Legg merke til det ledende minustegnet denne gangen fordi temperaturen (og derfor energien) har gått ned.
Endelig ser det siste trinnet volumet reduseres ettersom det jobbes med gassen og varmen ekstrahert i en isobarisk prosess, som gir et veldig lik uttrykk som forrige gang for arbeidet, bortsett fra med en ledende minustegn:
W = -P_1 (V_2-V_1)
Den samme beregningen gir endringen i intern energi som:
∆U = - \ frac {3} {2} P_1 (V_2 - V_1)
Andre lover om termodynamikk
Den første loven om termodynamikk er uten tvil den mest praktisk nyttige for en fysiker, men den andre tre store lover er verdt en kort omtale også (selv om de er beskrevet mer detaljert i andre artikler). Nullloven til termodynamikk sier at hvis system A er i termisk likevekt med system B, og system B er i likevekt med system C, så er system A i likevekt med system C.
Den andre loven om termodynamikk sier at entropien til ethvert lukket system har en tendens til å øke.
Til slutt sier den tredje loven om termodynamikk at entropien til et system nærmer seg en konstant verdi når temperaturen nærmer seg absolutt null.