Законы термодинамики - одни из самых важных законов во всей физике, и понимание того, как применять каждый из них, является решающим навыком для любого студента-физика.
Первый закон термодинамики, по сути, является заявлением о сохранении энергии, но есть много применений. для этой конкретной формулы вам нужно будет понять, хотите ли вы решать проблемы, связанные с такими вещами, как тепло двигатели.
Узнав, что такое адиабатический, изобарический, изохорный и изотермический процессы, и как применить первый закон термодинамика в этих ситуациях помогает математически описать поведение термодинамической системы, как это развивается во времени.
Внутренняя энергия, работа и тепло
Первый закон термодинамики - как и другие законы термодинамики - требует понимания некоторых ключевых терминов. Ввнутренняя энергия системыявляется мерой полной кинетической энергии и потенциальной энергии изолированной системы молекул; интуитивно это всего лишь количественная оценка количества энергии, содержащейся в системе.
Термодинамическая работаэто объем работы, которую система совершает в окружающей среде, например, за счет теплового расширения газа, выталкивающего поршень наружу. Это пример того, как тепловая энергия в термодинамическом процессе может быть преобразована в механическую энергию, и это основной принцип работы многих двигателей.
В очереди,нагреватьили жетермальная энергия- термодинамический перенос энергии между двумя системами. Когда две термодинамические системы находятся в контакте (не разделены изолятором) и имеют разные температуры, происходит передача тепла от более горячего тела к более холодному. Все эти три величины являются формами энергии и поэтому измеряются в джоулях.
Первый закон термодинамики
Первый закон термодинамики гласит, что тепло, добавленное к системе, увеличивает ее внутреннюю энергию, в то время как работа, выполняемая системой, уменьшает внутреннюю энергию. В символах вы используете∆Uдля обозначения изменения внутренней энергии,Qстоять за теплопередачу иWдля работы, выполняемой системой, и поэтому первый закон термодинамики:
∆U = Q - W
Таким образом, первый закон термодинамики связывает внутреннюю энергию системы с двумя формами энергии. передача, которая может иметь место, и поэтому ее лучше всего рассматривать как утверждение закона сохранения энергия.
Любые изменения внутренней энергии системы происходят либо из-за передачи тепла, либо из-за выполненной работы с теплопередачей.ксистема и проделанная работанасистема увеличения внутренней энергии и теплоотдачиизсистема и проделанная работаотэто снижает внутреннюю энергию. Само выражение легко использовать и понимать, но найти правильные выражения для теплопередачи и проделанной работы для использования в уравнении в некоторых случаях может быть непросто.
Пример первого закона термодинамики
Тепловые двигатели - это распространенный тип термодинамических систем, которые можно использовать для понимания основ первого закона термодинамики. Тепловые двигатели, по сути, преобразуют передачу тепла в полезную работу посредством четырехэтапного процесса, который включает добавление тепла в резервуар газа. чтобы увеличить его давление, он расширяется в объеме в результате, давление снижается, поскольку тепло извлекается из газа, и, наконец, газ сжатый (то есть уменьшенный в объеме), поскольку над ним выполняется работа, чтобы вернуть его в исходное состояние системы и начать процесс заново очередной раз.
Эту же систему часто идеализируют какЦикл Карно, в котором все процессы обратимы и не связаны с изменением энтропии, со стадией изотермического (т.е. при той же температуре) расширения, a стадия адиабатического расширения (без теплопередачи), стадия изотермического сжатия и стадия адиабатического сжатия для возврата к исходному состоянию государственный.
Оба этих процесса (идеализированный цикл Карно и цикл тепловой машины) обычно изображаются на графике.PVдиаграмму (также называемую графиком давление-объем), и эти две величины связаны законом идеального газа, который гласит:
PV = nRT
Гдеп= давление,V= объем,п= количество молей газа,р= универсальная газовая постоянная = 8,314 Дж моль−1 K−1 а такжеТ= температура. В сочетании с первым законом термодинамики этот закон можно использовать для описания стадий цикла тепловой машины. Еще одно полезное выражение дает внутреннюю энергиюUдля идеального газа:
U = \ frac {3} {2} nRT
Цикл теплового двигателя
Простой подход к анализу цикла теплового двигателя - представить процесс, происходящий на прямоугольном ящике вPVграфик, где каждая стадия протекает либо при постоянном давлении (изобарический процесс), либо в постоянном объеме (изохорный процесс).
Во-первых, начиная сV1, добавляется тепло и давление повышается отп1 кп2, а поскольку объем остается постоянным, вы знаете, что проделанная работа равна нулю. Чтобы решить этот этап проблемы, вы создаете две версии закона идеального газа для первого и второго состояния (помня, чтоVа такжеппостоянны):п1V1 = nRT1 а такжеп2V1 = nRT2, а затем вычтите первое из второго, чтобы получить:
V_1 (P_2-P_1) = nR (T_2 -T_1)
Решение об изменении температуры дает:
(T_2 - T_1) = \ frac {V_1 (P_2 - P_1)} {nR}
Если вы посмотрите на изменение внутренней энергии, вы можете вставить это в выражение для внутренней энергииUполучить:
\ 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 {выровнено}
На втором этапе цикла объем газа расширяется (и, таким образом, газ действительно работает), и в процессе добавляется больше тепла (для поддержания постоянной температуры). В этом случае работаWгазом - это просто изменение объема, умноженное на давлениеп2, который дает:
W = P_2 (V_2 -V_1)
И изменение температуры находится по закону идеального газа, как и раньше (кроме сохраненияп2 как константа и помня, что громкость изменяется), чтобы быть:
T_2 - T_1 = \ frac {P_2 (V_2 - V_1)} {nR}
Если вы хотите узнать точное количество добавленного тепла, вы можете использовать уравнение теплоемкости при постоянном давлении, чтобы найти его. Однако вы можете напрямую рассчитать внутреннюю энергию системы на этом этапе, как и раньше:
\ 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 {выровнено}
Третья стадия, по сути, противоположна первой стадии, поэтому давление уменьшается при постоянном объеме (на этот разV2), а тепло извлекается из газа. Вы можете проделать тот же процесс, основанный на законе идеального газа и уравнении для внутренней энергии системы, чтобы получить:
∆U = - \ frac {3} {2} V_2 (P_2 - P_1)
Обратите внимание на ведущий знак минус на этот раз, потому что температура (и, следовательно, энергия) снизилась.
Наконец, на последнем этапе объем уменьшается по мере того, как выполняется работа с газом и теплом, извлеченным в изобарический процесс, производящий очень похожее выражение для работы в прошлый раз, за исключением ведущего знак минус:
W = -P_1 (V_2 -V_1)
Тот же расчет дает изменение внутренней энергии как:
∆U = - \ frac {3} {2} P_1 (V_2 - V_1)
Другие законы термодинамики
Первый закон термодинамики, возможно, наиболее полезен для физика, но другой Также стоит кратко упомянуть три основных закона (хотя они рассматриваются более подробно в других статьи). Нулевой закон термодинамики гласит, что если система A находится в тепловом равновесии с системой B, а система B находится в равновесии с системой C, то система A находится в равновесии с системой C.
Второй закон термодинамики гласит, что энтропия любой замкнутой системы имеет тенденцию к увеличению.
Наконец, третий закон термодинамики гласит, что энтропия системы приближается к постоянному значению, когда температура приближается к абсолютному нулю.