Legile termodinamicii sunt unele dintre cele mai importante legi din toată fizica, iar înțelegerea modului de aplicare a fiecăreia dintre ele este o abilitate crucială pentru orice student la fizică.
Prima lege a termodinamicii este în esență o afirmație a conservării energiei, dar există multe utilizări pentru această formulare specifică va trebui să înțelegeți dacă doriți să rezolvați probleme care implică lucruri precum căldura motoare.
Învățarea a ceea ce sunt procesele adiabatice, izobarice, izocorice și izoterme și cum se aplică prima lege a termodinamica în aceste situații, vă ajută să descrieți matematic comportamentul unui sistem termodinamic ca acesta evoluează în timp.
Energie internă, muncă și căldură
Prima lege a termodinamicii - ca și celelalte legi ale termodinamicii - necesită înțelegerea unor termeni cheie.energia internă a unui sistemeste o măsură a energiei cinetice totale și a energiei potențiale a unui sistem izolat de molecule; intuitiv, acest lucru cuantifică doar cantitatea de energie conținută în sistem.
Lucrare termodinamicăeste cantitatea de muncă pe care o face un sistem asupra mediului, de exemplu, prin expansiunea indusă de căldură a unui gaz care împinge un piston spre exterior. Acesta este un exemplu al modului în care energia termică într-un proces termodinamic poate fi convertită în energie mecanică și este principiul de bază din spatele funcționării multor motoare.
In schimb,căldurăsauenergie termalăeste transferul de energie termodinamic între două sisteme. Când două sisteme termodinamice sunt în contact (nu sunt separate de un izolator) și sunt la temperaturi diferite, transferul de căldură are loc în acest fel, de la corpul mai fierbinte către cel mai rece. Toate aceste trei cantități sunt forme de energie, așa că sunt măsurate în jouli.
Prima lege a termodinamicii
Prima lege a termodinamicii afirmă că căldura adăugată sistemului adaugă la energia sa internă, în timp ce munca depusă de sistem reduce energia internă. În simboluri, utilizați∆Upentru a indica schimbarea energiei interne,Îsă stea pentru transferul de căldură șiWpentru munca depusă de sistem, așa că prima lege a termodinamicii este:
∆U = Q - W
Prin urmare, prima lege a termodinamicii corelează energia internă a sistemului cu două forme de energie transfer care poate avea loc și, ca atare, este cel mai bine gândit ca o declarație a legii conservării energie.
Orice modificare a energiei interne a sistemului provine fie din transferul de căldură, fie din lucrările efectuate, cu transferul de căldurălasistemul și munca realizatăpesistemul crește energia internă și transferul de căldurădinsistemul și munca realizatădereduce energia internă. Expresia în sine este ușor de utilizat și de înțeles, dar găsirea unor expresii valide pentru transferul de căldură și munca depusă în ecuație poate fi o provocare în unele cazuri.
Exemplu al primei legi a termodinamicii
Motoarele termice sunt un tip comun de sistem termodinamic care poate fi utilizat pentru a înțelege elementele de bază ale primei legi a termodinamicii. Motoarele termice transformă, în esență, transferul de căldură în muncă utilizabilă printr-un proces în patru etape care implică adăugarea căldurii într-un rezervor de gaz pentru a-și crește presiunea, acesta extindându-se în volum ca urmare, presiunea reducând pe măsură ce căldura este extrasă din gaz și în final gazul fiind comprimat (adică cu volum redus) pe măsură ce se lucrează la acesta pentru a-l readuce în starea inițială a sistemului și a porni procesul din nou.
Același sistem este adesea idealizat ca unCiclul Carnot, în care toate procesele sunt reversibile și nu implică nicio modificare a entropiei, cu o etapă de expansiune izotermă (adică la aceeași temperatură), o etapa de expansiune adiabatică (fără transfer de căldură), o etapă de compresie izotermă și o etapă de compresie adiabatică pentru a o readuce la original stat.
Ambele procese (ciclul Carnot idealizat și ciclul motorului termic) sunt de obicei trasate pe unPVdiagramă (numită și grafic presiune-volum), iar aceste două cantități sunt corelate de legea ideală a gazelor, care afirmă:
PV = nRT
UndeP= presiune,V= volum,n= numărul de moli de gaz,R= constanta universală a gazului = 8,314 J mol−1 K−1 șiT= temperatura. În combinație cu prima lege a termodinamicii, această lege poate fi utilizată pentru a descrie etapele unui ciclu al motorului termic. O altă expresie utilă dă energie internăUpentru un gaz ideal:
U = \ frac {3} {2} nRT
Ciclul motorului termic
O abordare simplă a analizei ciclului motorului termic este să vă imaginați procesul care are loc pe o cutie dreaptă înPVgrafic, fiecare etapă având loc fie la o presiune constantă (un proces izobaric), fie la un volum constant (un proces izocoric).
În primul rând, începând de laV1, se adaugă căldură și crește presiunea de laP1 laP2, și din moment ce volumul rămâne constant, știți că munca depusă este zero. Pentru a aborda această etapă a problemei, faceți două versiuni ale legii gazelor ideale pentru prima și a doua stare (amintindu-vă căVșinsunt constante):P1V1 = nRT1 șiP2V1 = nRT2, și apoi scade primul din al doilea pentru a obține:
V_1 (P_2-P_1) = nR (T_2 -T_1)
Rezolvarea schimbării temperaturii dă:
(T_2 - T_1) = \ frac {V_1 (P_2 - P_1)} {nR}
Dacă căutați schimbarea energiei interne, puteți introduce aceasta în expresia energiei interneUa obține:
\ 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) \ end {align}
Pentru a doua etapă a ciclului, volumul gazului se extinde (și astfel gazul funcționează) și se adaugă mai multă căldură în proces (pentru a menține o temperatură constantă). În acest caz, muncaWrealizat de gaz este pur și simplu schimbarea de volum înmulțită cu presiuneaP2, care dă:
W = P_2 (V_2 -V_1)
Și schimbarea temperaturii se regăsește cu legea ideală a gazelor, ca înainte (cu excepția păstrăriiP2 ca o constantă și amintind că volumul se schimbă), să fie:
T_2 - T_1 = \ frac {P_2 (V_2 - V_1)} {nR}
Dacă doriți să aflați cantitatea exactă de căldură adăugată, puteți utiliza ecuația căldurii specifice la o presiune constantă pentru a o găsi. Cu toate acestea, puteți calcula direct energia internă a sistemului în acest moment ca înainte:
\ 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 {align}
A treia etapă este în esență inversa primei etape, astfel încât presiunea scade la un volum constant (de data aceastaV2), iar căldura este extrasă din gaz. Puteți lucra prin același proces bazat pe legea gazelor ideale și pe ecuația pentru ca energia internă a sistemului să obțină:
∆U = - \ frac {3} {2} V_2 (P_2 - P_1)
Rețineți semnul minus principal de această dată, deoarece temperatura (și, prin urmare, energia) a scăzut.
În cele din urmă, ultima etapă vede ca volumul scade pe măsură ce se lucrează la gazul și căldura extrase într-un proces isobaric, producând o expresie foarte asemănătoare cu ultima dată pentru lucrare, cu excepția unui lider semnul minus:
W = -P_1 (V_2 -V_1)
Același calcul dă schimbarea energiei interne ca:
∆U = - \ frac {3} {2} P_1 (V_2 - V_1)
Alte legi ale termodinamicii
Prima lege a termodinamicii este, fără îndoială, cea mai practic utilă pentru un fizician, dar cealaltă trei legi majore merită o mențiune scurtă (deși sunt tratate mai detaliat în altele articole). Legea zero a termodinamicii afirmă că dacă sistemul A este în echilibru termic cu sistemul B, iar sistemul B este în echilibru cu sistemul C, atunci sistemul A este în echilibru cu sistemul C.
A doua lege a termodinamicii afirmă că entropia oricărui sistem închis tinde să crească.
În cele din urmă, a treia lege a termodinamicii afirmă că entropia unui sistem abordează o valoare constantă pe măsură ce temperatura se apropie de zero absolut.