Закони термодинаміки є одними з найважливіших законів у всій фізиці, і розуміння того, як застосовувати кожен з них, є найважливішим вмінням для будь-якого студента-фізика.
Перший закон термодинаміки, по суті, є твердженням про збереження енергії, але тут існує безліч застосувань для цієї конкретної рецептури вам потрібно буде зрозуміти, якщо ви хочете вирішити такі проблеми, як тепло двигуни.
Вивчення того, що таке адіабатичні, ізобарні, ізохорні та ізотермічні процеси, та як застосовувати перший закон Термодинаміка в цих ситуаціях допомагає математично описати поведінку термодинамічної системи як такої еволюціонує в часі.
Внутрішня енергія, робота та тепло
Перший закон термодинаміки - як і інші закони термодинаміки - вимагає розуміння деяких ключових термінів.внутрішня енергія системиє мірою загальної кінетичної енергії та потенційної енергії ізольованої системи молекул; інтуїтивно це просто кількісно визначає кількість енергії, що міститься в системі.
Термодинамічна робота- це кількість роботи, яку виконує система з навколишнім середовищем, наприклад, за рахунок теплового розширення газу, штовхаючи поршень назовні. Це приклад того, як теплову енергію в термодинамічному процесі можна перетворити на механічну, і це основний принцип роботи багатьох двигунів.
У свою чергу,теплоаботермальна енергія- термодинамічний перенос енергії між двома системами. Коли дві термодинамічні системи контактують (не відокремлюються ізолятором) і знаходяться при різних температурах, передача тепла відбувається таким чином, від більш гарячого тіла до більш холодного. Всі ці три величини є формами енергії, і тому їх вимірюють у джоулях.
Перший закон термодинаміки
Перший закон термодинаміки говорить, що тепло, що додається до системи, додає її внутрішньої енергії, тоді як робота, виконана системою, зменшує внутрішню енергію. У символах ви використовуєте∆Uдля позначення зміни внутрішньої енергії,Питаннястояти для теплообміну іWдля роботи, виконаної системою, і тому перший закон термодинаміки:
∆U = Q - W
Отже, перший закон термодинаміки пов’язує внутрішню енергію системи з двома формами енергії передача, яка може відбутися, і як така її найкраще розглядати як виклад закону збереження енергія.
Будь-які зміни внутрішньої енергії системи відбуваються внаслідок передачі тепла або виконаної роботи з передачею тепладосистему та виконану роботунасистема збільшує внутрішню енергію та тепловіддачувідсистему та виконану роботувідце зменшення внутрішньої енергії. Сам вираз простий у використанні та розумінні, але пошук дійсних виразів для теплопередачі та роботи, виконаної для використання в рівнянні, може бути складним у деяких випадках.
Приклад першого закону термодинаміки
Теплові двигуни - це загальний тип термодинамічної системи, який можна використовувати для розуміння основ першого закону термодинаміки. Теплові двигуни по суті перетворюють передачу тепла на корисну роботу за допомогою чотирьохступеневого процесу, який передбачає додавання тепла до резервуару газу щоб збільшити свій тиск, він розширюється в обсязі, в результаті чого тиск зменшується в міру виділення тепла з газу і, нарешті, газу стискається (тобто зменшується в обсязі) під час роботи над ним, щоб повернути його у початковий стан системи та розпочати процес заново знову.
Цю саму систему часто ідеалізують якЦикл Карно, в якому всі процеси є оборотними і не передбачають зміни ентропії, зі стадією ізотермічного (тобто при тій же температурі) розширення, стадія адіабатичного розширення (без передачі тепла), стадія ізотермічного стиснення і стадія адіабатичного стиснення, щоб повернути його до початкового держава.
Обидва ці процеси (ідеалізований цикл Карно та цикл теплової машини) зазвичай наносять на графікPVдіаграма (також її називають графіком тиск-об'єм), і ці дві величини пов'язані законом ідеального газу, який говорить:
PV = nRT
ДеP= тиск,V= обсяг,п= кількість молей газу,Р= універсальна газова постійна = 8,314 Дж моль−1 К−1 іТ= температура. У поєднанні з першим законом термодинаміки цей закон може бути використаний для опису стадій циклу теплової машини. Інший корисний вираз дає внутрішню енергіюUдля ідеального газу:
U = \ frac {3} {2} nRT
Цикл теплового двигуна
Простий підхід до аналізу циклу теплової машини полягає в тому, щоб уявити, як процес відбувається на прямобічній коробці вPVділянка, причому кожна стадія або проходить під постійним тиском (ізобарний процес), або при постійному об’ємі (ізохорний процес).
По-перше, починаючи зV1, додається тепло, і тиск підвищується зP1 доP2, а оскільки обсяг залишається незмінним, ви знаєте, що виконана робота дорівнює нулю. Для вирішення цієї стадії проблеми ви робите дві версії закону про ідеальний газ для першого та другого стану (пам’ятаючи про цеVіппостійні):P1V1 = nRT1 іP2V1 = nRT2, а потім відніміть перше від другого, щоб отримати:
V_1 (P_2-P_1) = nR (T_2 -T_1)
Вирішення проблеми зміни температури дає:
(T_2 - T_1) = \ frac {V_1 (P_2 - P_1)} {nR}
Якщо ви шукаєте зміни внутрішньої енергії, ви можете вставити це у вираз для внутрішньої енергіїUотримати:
\ 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) \ кінець {вирівняний}
На другій стадії циклу об’єм газу розширюється (і, таким чином, газ справді працює), і в процесі додається більше тепла (для підтримки постійної температури). В даному випадку роботаWздійснюється газом - це просто зміна об'єму, помножена на тискP2, що дає:
W = P_2 (V_2 -V_1)
І зміна температури виявляється за законом ідеального газу, як і раніше (крім збереженняP2 як константа і пам'ятаючи, що гучність змінюється), бути:
T_2 - T_1 = \ frac {P_2 (V_2 - V_1)} {nR}
Якщо ви хочете дізнатися точну кількість доданого тепла, ви можете використати рівняння питомої теплоти при постійному тиску, щоб знайти його. Однак ви можете безпосередньо розрахувати внутрішню енергію системи, як і раніше:
\ 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) \ кінець {вирівняний}
Третя стадія, по суті, є реверсом першої стадії, тому тиск зменшується при постійному обсязі (цього разуV2), а тепло виділяється з газу. Ви можете пройти той самий процес на основі закону ідеального газу та рівняння внутрішньої енергії системи, щоб отримати:
∆U = - \ frac {3} {2} V_2 (P_2 - P_1)
Цього разу зверніть увагу на провідний знак мінус, оскільки температура (а отже, і енергія) знизилася.
Нарешті, на останньому етапі спостерігається зменшення обсягу, коли виконується робота над газом і теплом, що витягуються в ізобаричний процес, що видає дуже подібний вираз до останнього разу для роботи, за винятком провідного знак мінус:
W = -P_1 (V_2 -V_1)
Той самий розрахунок дає зміну внутрішньої енергії, як:
=U = - \ frac {3} {2} P_1 (V_2 - V_1)
Інші закони термодинаміки
Перший закон термодинаміки, безсумнівно, є найбільш практичним для фізика, але інший також варто коротко згадати три основні закони (хоча вони детальніше висвітлені в інших статті). Нульовий закон термодинаміки говорить, що якщо система А знаходиться в тепловій рівновазі із системою В, а система В знаходиться в рівновазі із системою С, то система А знаходиться в рівновазі із системою С.
Другий закон термодинаміки говорить, що ентропія будь-якої замкнутої системи має тенденцію до збільшення.
Нарешті, третій закон термодинаміки говорить, що ентропія системи наближається до постійного значення, оскільки температура наближається до абсолютного нуля.
