Termodinamik yasaları, tüm fizikteki en önemli yasalardan bazılarıdır ve her birinin nasıl uygulanacağını anlamak, herhangi bir fizik öğrencisi için çok önemli bir beceridir.
Termodinamiğin birinci yasası esasen enerjinin korunumunun bir ifadesidir, ancak birçok kullanım alanı vardır. Bu özel formülasyon için, ısı gibi şeyleri içeren sorunları çözmek isteyip istemediğinizi anlamanız gerekir. motorlar.
Adyabatik, izobarik, izokorik ve izotermal süreçlerin ne olduğunu ve birinci yasanın nasıl uygulanacağını öğrenmek Bu durumlarda termodinamik, bir termodinamik sistemin davranışını olduğu gibi matematiksel olarak tanımlamanıza yardımcı olur. zamanla gelişir.
İç Enerji, İş ve Isı
Termodinamiğin birinci yasası – diğer termodinamiğin yasaları gibi – bazı anahtar terimlerin anlaşılmasını gerektirir.bir sistemin iç enerjisiizole bir molekül sisteminin toplam kinetik enerjisinin ve potansiyel enerjisinin bir ölçüsüdür; sezgisel olarak, bu sadece sistemde bulunan enerji miktarını ölçer.
termodinamik çalışma
örneğin bir pistonu dışarı doğru iten bir gazın ısı kaynaklı genleşmesiyle bir sistemin çevre üzerinde yaptığı iş miktarıdır. Bu, termodinamik bir süreçteki ısı enerjisinin mekanik enerjiye nasıl dönüştürülebileceğinin bir örneğidir ve birçok motorun çalışmasının arkasındaki temel ilkedir.Sırayla,sıcaklıkveyaTermal enerjiiki sistem arasındaki termodinamik enerji transferidir. İki termodinamik sistem temas halindeyken (bir yalıtkanla ayrılmadığında) ve farklı sıcaklıklarda olduğunda, daha sıcak gövdeden daha soğuk olana doğru ısı transferi bu şekilde gerçekleşir. Bu üç niceliğin tümü enerji biçimleridir ve bu nedenle joule cinsinden ölçülür.
Termodinamiğin Birinci Yasası
Termodinamiğin birinci yasası, sisteme eklenen ısının sistemin iç enerjisine eklendiğini, sistemin yaptığı işin ise iç enerjisini azalttığını belirtir. Sembollerde, kullandığınız∆Uiç enerjideki değişimi belirtmek için,Sısı transferi için durmak veWsistem tarafından yapılan iş için ve dolayısıyla termodinamiğin birinci yasası:
∆U = Q - W
Termodinamiğin birinci yasası bu nedenle sistemin iç enerjisini iki enerji formuyla ilişkilendirir. gerçekleşebilir ve bu nedenle en iyi şekilde korunum yasasının bir ifadesi olarak düşünülür. enerji.
Sistemin iç enerjisindeki herhangi bir değişiklik, ya ısı transferinden ya da ısı transferi ile yapılan işten kaynaklanır.içinsistem ve yapılan işüzerindeiç enerjiyi artıran sistem ve ısı transferiitibarensistem ve yapılan iştarafındaniç enerjiyi azaltır. İfadenin kendisinin kullanımı ve anlaşılması kolaydır, ancak ısı transferi ve denklemde kullanmak için yapılan iş için geçerli ifadeler bulmak bazı durumlarda zor olabilir.
Termodinamiğin Birinci Yasası Örneği
Isı motorları, termodinamiğin birinci yasasının temellerini anlamak için kullanılabilecek yaygın bir termodinamik sistem türüdür. Isı motorları, bir gaz rezervuarına ısı eklenmesini içeren dört aşamalı bir işlemle ısı transferini esasen kullanılabilir işe dönüştürür. basıncını arttırmak için hacmi genişler, sonuç olarak gazdan ısı çekilirken basınç azalır ve sonunda gaz Sistemin orijinal durumuna geri getirmek ve süreci yeniden başlatmak için üzerinde iş yapılırken sıkıştırılmış (yani hacmi azaltılmış) tekrar.
Bu aynı sistem genellikle idealize edilir.karnot döngüsütüm süreçlerin tersinir olduğu ve entropide hiçbir değişiklik içermediği, bir izotermal (yani aynı sıcaklıkta) genişleme aşamasıyla, bir adyabatik genişleme aşaması (ısı transferi olmadan), izotermal sıkıştırma aşaması ve orijinal haline geri getirmek için adyabatik sıkıştırma aşaması durum.
Bu süreçlerin her ikisi de (idealleştirilmiş Carnot çevrimi ve ısı motoru çevrimi) genellikle birPVdiyagramı (basınç-hacim grafiği olarak da adlandırılır) ve bu iki miktar, ideal gaz yasası ile ilişkilidir ve şunları belirtir:
PV = nRT
NeredeP= basınç,V= hacim,n= gazın mol sayısı,$= evrensel gaz sabiti = 8.314 J mol−1 K−1 veT= sıcaklık. Termodinamiğin birinci yasasıyla birlikte bu yasa, bir ısı motoru çevriminin aşamalarını tanımlamak için kullanılabilir. Başka bir yararlı ifade iç enerjiyi verirsenideal bir gaz için:
U = \frac{3}{2}nRT
Isı Motoru Döngüsü
Isı makinesi çevrimini analiz etmek için basit bir yaklaşım, işlemin düz kenarlı bir kutu üzerinde gerçekleştiğini hayal etmektir.PVHer aşama ya sabit bir basınçta (bir izobarik süreç) ya da sabit bir hacimde (bir izokorik süreç) yer alacak şekilde çizin.
İlk olarak, başlayarakV1, ısı eklenir ve basınç yükselirP1 içinP2ve hacim sabit kaldığı için yapılan işin sıfır olduğunu bilirsiniz. Sorunun bu aşamasını çözmek için, birinci ve ikinci durum için ideal gaz yasasının iki versiyonunu yaparsınız (bunu hatırlayarak).Vvensabittir):P1V1 = nRT1 veP2V1 = nRT2ve ardından şunu elde etmek için birinciyi ikinciden çıkarın:
V_1 (P_2-P_1) = nR (T_2 -T_1)
Sıcaklıktaki değişikliği çözmek şunları verir:
(T_2 - T_1) = \frac{ V_1 (P_2 - P_1)}{nR}
İç enerjideki değişimi ararsanız, bunu iç enerji ifadesine ekleyebilirsiniz.senalmak:
\begin{aligned} ∆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{hizalı}
Döngünün ikinci aşaması için, gazın hacmi genişler (ve böylece gaz çalışır) ve sürece daha fazla ısı eklenir (sabit bir sıcaklığı korumak için). Bu durumda işWgaz tarafından yapılan basitçe hacimdeki değişikliğin basınçla çarpımıdır.P2, hangi verir:
W = P_2 (V_2 -V_1)
Ve sıcaklıktaki değişim, daha önce olduğu gibi ideal gaz yasası ile bulunur (bunun dışındaP2 sabit olarak ve hacmin değiştiğini hatırlayarak), olmak:
T_2 - T_1 = \frac{ P_2 (V_2 - V_1)}{nR}
Eklenen ısının tam miktarını bulmak istiyorsanız, bunu bulmak için sabit basınçta özgül ısı denklemini kullanabilirsiniz. Ancak, sistemin iç enerjisini bu noktada daha önce olduğu gibi doğrudan hesaplayabilirsiniz:
\begin{aligned} ∆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{hizalı}
Üçüncü aşama esasen birinci aşamanın tersidir, bu nedenle basınç sabit bir hacimde azalır (bu seferV2) ve gazdan ısı elde edilir. İdeal gaz yasasına ve sistemin iç enerjisinin denklemine dayalı olarak aynı işlemi yaparak şunları elde edebilirsiniz:
∆U = -\frac{3}{2} V_2 (P_2 - P_1)
Sıcaklık (ve dolayısıyla enerji) düştüğü için bu sefer baştaki eksi işaretine dikkat edin.
Son olarak, son aşama, gaz ve ısı üzerinde iş yapıldıkça hacmin azaldığını görür. izobarik süreç, bir öncü dışında, iş için geçen zamana çok benzer bir ifade üretiyor. Eksi işareti:
W = -P_1 (V_2 -V_1)
Aynı hesaplama iç enerjideki değişimi şu şekilde verir:
∆U = -\frac{3}{2} P_1 (V_2 - V_1)
Termodinamiğin Diğer Kanunları
Termodinamiğin birinci yasası tartışmasız bir fizikçi için pratik olarak en yararlı olanıdır, ancak diğer yasa üç ana yasadan da kısaca bahsetmeye değer (her ne kadar diğer bölümlerde daha ayrıntılı olarak ele alınsalar da) nesne). Termodinamiğin sıfırıncı yasası, eğer A sistemi B sistemiyle termal dengedeyse ve B sistemi C sistemiyle dengedeyse, o zaman A sistemi C sistemiyle dengede demektir.
Termodinamiğin ikinci yasası, herhangi bir kapalı sistemin entropisinin artma eğiliminde olduğunu belirtir.
Son olarak, termodinamiğin üçüncü yasası, bir sistemin entropisinin, sıcaklık mutlak sıfıra yaklaştıkça sabit bir değere yaklaştığını belirtir.