Zakoni termodinamike so nekateri najpomembnejši zakoni v celotni fiziki in razumevanje, kako jih uporabiti, je ključna veščina za vsakega študenta fizike.
Prvi zakon termodinamike je v bistvu izjava o ohranjanju energije, vendar obstaja veliko uporab za to specifično formulacijo boste morali razumeti, če želite rešiti težave, ki vključujejo stvari, kot je vročina motorji.
Spoznavanje adiabatskih, izobarnih, izohornih in izotermičnih procesov in kako uporabiti prvi zakon termodinamike v teh situacijah vam pomaga matematično opisati vedenje termodinamičnega sistema kot takega razvija v času.
Notranja energija, delo in toplota
Prvi zakon termodinamike - tako kot drugi zakoni termodinamike - zahteva razumevanje nekaterih ključnih izrazov. Thenotranja energija sistemaje merilo celotne kinetične energije in potencialne energije izoliranega sistema molekul; intuitivno to samo količinsko opredeli količino energije v sistemu.
Termodinamično deloje količina dela, ki ga sistem opravi z okoljem, na primer s toplotno induciranim raztezanjem plina, ki potiska bat navzven. To je primer, kako lahko toplotno energijo v termodinamičnem procesu pretvorimo v mehansko in je bistveno načelo delovanja mnogih motorjev.
Po drugi strani patoplotaalitermalna energijaje termodinamični prenos energije med dvema sistemoma. Ko sta dva termodinamična sistema v stiku (ni ločena z izolatorjem) in imata različno temperaturo, pride do prenosa toplote od bolj vročega telesa proti hladnejšemu. Vse te tri količine so oblike energije in se tako merijo v džulih.
Prvi zakon termodinamike
Prvi zakon termodinamike pravi, da toplota, dodana sistemu, prispeva k njegovi notranji energiji, medtem ko delo, ki ga opravi sistem, zmanjša notranjo energijo. V simbolih uporabljate∆Uza spremembo notranje energije,Vstati za prenos toplote inWza delo, ki ga opravi sistem, zato je prvi zakon termodinamike:
∆U = Q - W
Prvi zakon termodinamike torej povezuje notranjo energijo sistema z dvema oblikama energije prenos, ki lahko poteka, in je kot tak najbolje mišljen kot izjava o ohranitvenem zakonu energija.
Kakršne koli spremembe notranje energije sistema izhajajo iz prenosa toplote ali opravljenega dela s prenosom toplotedosistem in opravljeno delonaprejsistem povečuje notranjo energijo in prenos toploteizsistem in opravljeno deloavtorzmanjšuje notranjo energijo. Sam izraz je enostaven za uporabo in razumevanje, vendar je iskanje veljavnih izrazov za prenos toplote in opravljeno delo v enačbi v nekaterih primerih lahko zahtevno.
Primer prvega zakona termodinamike
Toplotni motorji so pogost tip termodinamičnega sistema, s katerim lahko razumemo osnove prvega zakona termodinamike. Toplotni motorji v bistvu pretvorijo prenos toplote v uporabno delo s štiristopenjskim postopkom, ki vključuje dodajanje toplote v rezervoar plina za povečanje tlaka se posledično širi v prostornino, tlak pa se zmanjšuje, ko se iz plina črpa toplota in na koncu plin stisnjen (tj. zmanjšan v prostornini), ko se na njem dela, da se vrne v prvotno stanje sistema in postopek začne znova ponovno.
Ta isti sistem je pogosto idealiziran kotCarnotov cikel, pri kateri so vsi procesi reverzibilni in ne vključujejo spremembe entropije s stopnjo izotermičnega (tj. pri enaki temperaturi) ekspanzije, stopnja adiabatske ekspanzije (brez prenosa toplote), stopnja izotermičnega stiskanja in stopnja adiabatskega stiskanja, da se vrne na prvotno država.
Oba procesa (idealizirani Carnotov cikel in cikel toplotnega stroja) sta običajno narisana naPVdiagram (imenovan tudi grafikon tlaka in prostornine), ti dve količini pa sta povezani z zakonom o idealnem plinu, ki pravi:
PV = nRT
KjeP= tlak,V= prostornina,n= število molov plina,R= univerzalna plinska konstanta = 8,314 J mol−1 K−1 inT= temperatura. V kombinaciji s prvim zakonom termodinamike lahko ta zakon uporabimo za opis faz cikla toplotnega stroja. Drug uporaben izraz daje notranjo energijoUza idealen plin:
U = \ frac {3} {2} nRT
Cikel toplotnega motorja
Preprost pristop k analizi cikla toplotnih motorjev je predstavljati, da se postopek odvija na enostranski škatli vPVploskev, pri čemer se vsaka stopnja odvija bodisi s konstantnim tlakom (izobarni postopek) bodisi s konstantno prostornino (izohorni proces).
Najprej, odV1, doda se toplota in tlak naraste izP1 doP2, in ker glasnost ostaja konstantna, veste, da je opravljeno delo nič. Da bi se lotili te faze problema, naredite dve različici zakona o idealnem plinu za prvo in drugo državo (ne pozabite tegaVinnso konstantne):P1V1 = nRT1 inP2V1 = nRT2in nato od drugega odštejemo prvega, da dobimo:
V_1 (P_2-P_1) = nR (T_2 -T_1)
Reševanje spremembe temperature daje:
(T_2 - T_1) = \ frac {V_1 (P_2 - P_1)} {nR}
Če iščete spremembo notranje energije, lahko to vstavite v izraz za notranjo energijoUdobiti:
\ začetek {poravnano ∆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) \ konec {poravnano}
V drugi fazi cikla se prostornina plina širi (in tako plin deluje) in v procesu se doda več toplote (za vzdrževanje konstantne temperature). V tem primeru deloWki ga naredi plin, je preprosto sprememba prostornine, pomnožena s tlakomP2, ki daje:
W = P_2 (V_2 -V_1)
Spremembo temperature najdemo z zakonom o idealnem plinu, kot prej (razen ohranjanjaP2 kot konstanta in se spomnimo, da se glasnost spreminja), da:
T_2 - T_1 = \ frac {P_2 (V_2 - V_1)} {nR}
Če želite ugotoviti natančno dodano količino toplote, jo lahko uporabite pri enačbi specifične toplote pri konstantnem tlaku. Vendar pa lahko na tej točki neposredno izračunate notranjo energijo sistema kot prej:
\ začeti {poravnano ∆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) \ konec {poravnano}
Tretja stopnja je v bistvu reverzna stopnja prve stopnje, zato tlak pada pri konstantni prostornini (tokratV2), toplota pa se odvaja iz plina. Lahko opravite isti postopek, ki temelji na zakonu o idealnem plinu in enačbi, da dobite notranjo energijo sistema:
=U = - \ frac {3} {2} V_2 (P_2 - P_1)
Tokrat upoštevajte vodilni znak minus, ker se je temperatura (in s tem tudi energija) zmanjšala.
Nazadnje se v zadnji fazi prostornina zmanjša, ko se dela na plinu in toploti, odvzeti v izobarični postopek, ki daje zelo podoben izraz kot zadnjič za delo, razen pri vodilni znak minus:
W = -P_1 (V_2 -V_1)
Isti izračun daje spremembo notranje energije kot:
=U = - \ frac {3} {2} P_1 (V_2 - V_1)
Drugi zakoni termodinamike
Prvi zakon termodinamike je verjetno najbolj praktičen za fizika, drugi pa tudi trije glavni zakoni so vredni kratke omembe (čeprav so podrobneje opisani v drugih članki). Nulti zakon termodinamike pravi, da če je sistem A v toplotnem ravnovesju s sistemom B in je sistem B v ravnovesju s sistemom C, je sistem A v ravnovesju s sistemom C.
Drugi zakon termodinamike pravi, da se entropija katerega koli zaprtega sistema povečuje.
Tretji zakon termodinamike navaja, da se entropija sistema približuje konstantni vrednosti, ko se temperatura približuje absolutni ničli.