Закони термодинамике су неки од најважнијих закона у целој физици, а разумевање начина примене сваког од њих је пресудна вештина за сваког студента физике.
Први закон термодинамике у основи је изјава о очувању енергије, али има много примена за ову специфичну формулацију мораћете да разумете ако желите да решите проблеме који укључују ствари попут топлоте мотори.
Учење шта су адијабатски, изобарични, изохорни и изотермички процеси и како применити први закон термодинамика у овим ситуацијама, помаже вам да математички опишете понашање термодинамичког система као таквог еволуира у времену.
Унутрашња енергија, рад и топлота
Први закон термодинамике - попут осталих закона термодинамике - захтева разумевање неких кључних појмова. Тхеунутрашња енергија системаје мера укупне кинетичке енергије и потенцијалне енергије изолованог система молекула; интуитивно, ово само квантификује количину енергије садржане у систему.
Термодинамички радје количина посла који систем ради на животној средини, на пример, ширењем гаса изазваног топлотом потискивањем клипа према споља. Ово је пример како се топлотна енергија у термодинамичком процесу може претворити у механичку енергију и то је основни принцип рада многих мотора.
Заузврат,топлотаилитоплотна енергијаје термодинамички пренос енергије између два система. Када су два термодинамичка система у контакту (нису одвојена изолатором) и налазе се на различитим температурама, пренос топлоте се јавља на овај начин, од топлијег ка хладнијем телу. Све ове три величине су облици енергије и мере се у џулима.
Први закон термодинамике
Први закон термодинамике каже да топлота додата систему додаје његову унутрашњу енергију, док рад који систем обавља смањује унутрашњу енергију. У симболима користите∆Уда означи промену унутрашње енергије,Кда стоји за пренос топлоте иВза рад који систем обавља, па је први закон термодинамике:
∆У = К - В
Стога први закон термодинамике повезује унутрашњу енергију система са два облика енергије пренос који се може извршити и као такав је најбоље сматрати изјавом закона о очувању енергије.
Све промене унутрашње енергије система потичу или из преноса топлоте или обављеног посла са преносом топлотедосистем и обављени посаонасистем повећава унутрашњу енергију и пренос топлотеодсистем и обављени посаоод странесмањује унутрашњу енергију. Сам израз је једноставан за употребу и разумљив, али проналажење валидних израза за пренос топлоте и рад урађен за употребу у једначини може бити изазов у неким случајевима.
Пример првог закона термодинамике
Топлотни мотори су уобичајени тип термодинамичког система који се може користити за разумевање основа првог закона термодинамике. Топлотни мотори у основи претварају пренос топлоте у употребљив рад кроз поступак у четири корака који укључује додавање топлоте у резервоар гаса да би повећао свој притисак, он се шири у запремини као резултат, а притисак се смањује како се топлота извлачи из гаса и коначно гас компримовани (тј. смањени обим) док се на њему ради како би се вратио у првобитно стање система и започео поступак изнова опет.
Овај исти систем је често идеализован каоЦарнотов циклус, у којем су сви процеси реверзибилни и не укључују промену ентропије, са фазом изотермног (тј. на истој температури) експанзије, фаза адијабатског ширења (без преноса топлоте), фаза изотермичке компресије и фаза адијабатске компресије да би се вратила на првобитно стање стање.
Оба ова процеса (идеализовани Царнотов циклус и циклус топлотних мотора) обично се цртају на аПВдијаграм (назива се и графикон запремине запремина), а ове две величине повезане су законом о идеалном гасу, који каже:
ПВ = нРТ
ГдеП.= притисак,В.= запремина,н= број молова гаса,Р.= универзална гасна константа = 8,314 Ј мол−1 К.−1 иТ.= температура. У комбинацији са првим законом термодинамике, овај закон се може користити за опис стадијума циклуса топлотне машине. Још један користан израз даје унутрашњу енергијуУза идеалан гас:
У = \ фрац {3} {2} нРТ
Циклус топлотног мотора
Једноставан приступ анализи циклуса топлотних мотора је замислити да се процес одвија на правокутној кутији уПВпарцела, при чему се свака фаза одвија под константним притиском (изобарски процес) или константном запремином (изохорни процес).
Прво, почев одВ.1, додаје се топлота и притисак расте одП.1 доП.2, а пошто јачина звука остаје константна, знате да је обављени посао нула. Да бисте се позабавили овом фазом проблема, направите две верзије закона о идеалном гасу за прво и друго стање (сетите се тогаВ.инсу константне):П.1В.1 = нРТ1 иП.2В.1 = нРТ2, а затим одузмите први од другог да бисте добили:
В_1 (П_2-П_1) = нР (Т_2 -Т_1)
Решење за промену температуре даје:
(Т_2 - Т_1) = \ фрац {В_1 (П_2 - П_1)} {нР}
Ако тражите промену унутрашње енергије, можете то уметнути у израз за унутрашњу енергијуУда добијем:
\ започети {поравнато} У & = \ фрац {3} {2} нР∆Т \\ \\ & = \ фрац {3} {2} нР \ бигг (\ фрац {В_1 (П_2 - П_1)} {нР } \ бигг) \\ \\ & = \ фрац {3} {2} В_1 (П_2 -П_1) \ крај {поравнато}
За другу фазу циклуса, запремина гаса се шири (и тако гас заиста ради) и у процесу се додаје више топлоте (да би се одржала константна температура). У овом случају радВкоју врши гас је једноставно промена запремине помножена са притискомП.2, који даје:
В = П_2 (В_2 -В_1)
А промена температуре се налази уз закон о идеалном гасу, као и раније (осим задржавањаП.2 као константа и памћење да се јачина звука мења), да буде:
Т_2 - Т_1 = \ фрац {П_2 (В_2 - В_1)} {нР}
Ако желите да сазнате тачну количину додане топлоте, можете је користити помоћу једначине топлоте под константним притиском да бисте је пронашли. Међутим, у овом тренутку можете директно израчунати унутрашњу енергију система као и раније:
\ почетак {поравнато} У & = \ фрац {3} {2} нР∆Т \\ \\ & = \ фрац {3} {2} нР \ бигг (\ фрац {П_2 (В_2 - В_1)} {нР } \ бигг) \\ \\ & = \ фрац {3} {2} П_2 (В_2 - В_1) \ крај {поравнато}
Трећа фаза је у суштини обрнута од прве фазе, тако да притисак опада при константној запремини (овог путаВ.2), а топлота се издваја из гаса. Можете проћи кроз исти поступак заснован на закону о идеалном гасу и једначини за добијање унутрашње енергије система:
=У = - \ фрац {3} {2} В_2 (П_2 - П_1)
Овог пута забележите водећи знак минус јер се температура (а самим тим и енергија) смањила.
Коначно, у последњој фази запремина се смањује како се ради на гасу и топлоти који се издвајају у изобарни процес, дајући врло сличан израз прошлом времену за дело, осим са водећим знак минус:
В = -П_1 (В_2 -В_1)
Исти прорачун даје промену унутрашње енергије као:
=У = - \ фрац {3} {2} П_1 (В_2 - В_1)
Остали закони термодинамике
Први закон термодинамике је вероватно најпрактичнији за физичара, али други три главна закона вредна су и кратког помена (мада су детаљније обрађена у другим чланака). Нулти закон термодинамике каже да ако је систем А у топлотној равнотежи са системом Б, а систем Б у равнотежи са системом Ц, онда је систем А у равнотежи са системом Ц.
Други закон термодинамике каже да ентропија било ког затвореног система има тенденцију повећања.
Коначно, трећи закон термодинамике каже да се ентропија система приближава константној вредности како се температура приближава апсолутној нули.