PRVNÍ ZÁKON TERMODYNAMIKY: VZORCE, ROVNICE, PŘÍKLADY - FYZICKÝ - 2025

První termodynamický zákon říká, že každá změna zkušený energie systému pochází z mechanického vykonané práce, plus výměně tepla s okolním prostředím. Ať už jsou v klidu nebo v pohybu, objekty (systémy) mají různé energie, které mohou být transformovány z jedné třídy do druhé prostřednictvím určitého typu procesu.

Pokud je systém v klidu laboratoře a jeho mechanická energie je 0, má stále vnitřní energii, protože částice, které jej skládají, neustále zažívají náhodné pohyby.

Obrázek 1. Spalovací motor používá první zákon termodynamiky k vytvoření práce. Zdroj: Pixabay.

Náhodné pohyby částic, spolu s elektrickými interakcemi a v některých případech jadernými, tvoří vnitřní energii systému a při interakci s prostředím dochází ke změnám ve vnitřní energii.

Existuje několik způsobů, jak dosáhnout těchto změn:

- První je, že systém vyměňuje teplo s okolím. K tomu dochází, když je mezi nimi rozdíl teplot. Ten, který je teplejší, odevzdá teplo - způsob přenosu energie - do nejchladnějších, dokud nejsou obě teploty stejné a dosáhne tepelné rovnováhy.

- Prováděním úlohy, bez ohledu na to, zda ji systém provádí, nebo provádí externí agent v systému.

- Přidání hmoty do systému (hmotnost se rovná energii).

Nechť U je vnitřní energie, rovnováha bude ΔU = konečná U - počáteční U, takže je vhodné přiřadit znaky, které podle kritérií IUPAC (Mezinárodní unie čisté a aplikované chemie) jsou:

- Pozitivní Q a W (+), když systém přijímá teplo a pracuje se na něm (energie se přenáší).

- Negativní Q a W (-), pokud se systém vzdá tepla a provádí práce na životním prostředí (snižuje energii).

Vzorce a rovnice

První zákon termodynamiky je dalším způsobem, jak říci, že energie není vytvořena ani zničena, ale je transformována z jednoho typu na druhý. Pokud tak učiníte, bude se vytvářet teplo a práce, které lze dobře využít. Matematicky se vyjadřuje takto:

ΔU = Q + W

Kde:

- ΔU je změna energie systému daná: ΔU = konečná energie - počáteční energie = U _f - U _o

- Q je výměna tepla mezi systémem a prostředím.

- W je práce na systému.

V některých textech je prezentován první zákon termodynamiky takto:

ΔU = Q - W

To neznamená, že si navzájem odporují nebo že došlo k chybě. Důvodem je to, že práce W byla definována jako práce prováděná systémem, nikoli jako práce prováděná v systému, jako v přístupu IUPAC.

S tímto kritériem se uvádí první zákon termodynamiky takto:

Obě kritéria poskytnou správné výsledky.

Důležitá pozorování prvního termodynamického zákona

Teplo i práce jsou dva způsoby přenosu energie mezi systémem a jeho okolím. Všechna zúčastněná množství mají jako celek v mezinárodním systému joule nebo joule, zkráceně J.

První zákon termodynamiky poskytuje informaci o změně energie, ne o absolutních hodnotách konečné nebo počáteční energie. Některé z nich lze dokonce považovat za 0, protože se počítá rozdíl hodnot.

Dalším důležitým závěrem je, že každý izolovaný systém má ΔU = 0, protože není schopen vyměňovat teplo s prostředím a žádné vnější činidlo nesmí na něm pracovat, takže energie zůstává konstantní. Termoska, která udržuje vaši kávu v teple, je rozumným přiblížením.

Takže v neizolovaném systému je ΔU vždy odlišná od 0? Není nutně, ΔU může být 0, pokud jeho proměnné, které jsou obvykle tlak, teplota, objem a počet molů, prochází cyklem, ve kterém jsou jejich počáteční a konečné hodnoty stejné.

Například v Carnotově cyklu je veškerá tepelná energie přeměněna na použitelnou práci, protože neuvažuje se ztrátami tření nebo viskozity.

Pokud jde o U, tajemnou energii systému, zahrnuje:

- Kinetická energie částic při jejich pohybu a energie pocházející z vibrací a rotací atomů a molekul.

- Potenciální energie v důsledku elektrických interakcí mezi atomy a molekulami.

- Interakce typické pro atomové jádro, jako uvnitř slunce.

Aplikace

První zákon uvádí, že je možné vyrábět teplo a pracovat tak, že se mění vnitřní energie systému. Jednou z nejúspěšnějších aplikací je motor s vnitřním spalováním, ve kterém se odebírá určitý objem plynu a jeho expanze se používá k provádění prací. Další dobře známou aplikací je parní stroj.

Motory obvykle využívají cykly nebo procesy, ve kterých systém začíná od počátečního stavu rovnováhy k jinému konečnému stavu, také rovnováhy. Mnoho z nich se odehrává za podmínek, které usnadňují výpočet práce a tepla podle prvního zákona.

Zde jsou jednoduché šablony, které popisují běžné, každodenní situace. Nej ilustrativnější procesy jsou adiabatické, izochorické, izotermální, izobarické, uzavřené a volné expanze. V nich je systémová proměnná udržována konstantní, a proto má první zákon zvláštní podobu.

Isochoric procesy

Jsou to ty, ve kterých objem systému zůstává konstantní. Proto se neprovádí žádná práce a s W = 0 zůstává:

ΔU = Q

Izobarické procesy

V těchto procesech zůstává tlak konstantní. Práce systému je způsobena změnou objemu.

Předpokládejme, že v nádobě je plyn. Protože práce W je definována jako:

Nahrazením této síly ve vyjádření práce se získá:

Produkt A ll se však rovná změně objemu ΔV, takže práce zůstane takto:

Pro izobarický proces má první zákon podobu:

ΔU = Q - p ΔV

Izotermické procesy

Jsou to ty, které se konají při konstantní teplotě. To se může uskutečnit tak, že se systém uvede do kontaktu s vnějším tepelným zásobníkem a způsobí se, že výměna tepla probíhá velmi pomalu, takže teplota je konstantní.

Například, teplo může proudit z horké nádrže do systému, což umožňuje systému pracovat, bez kolísání ΔU. Tak:

Q + W = 0

Adiabatické procesy

V adiabatickém procesu nedochází k přenosu tepelné energie, proto Q = 0 a první zákon se snižuje na ΔU = W. Tato situace může nastat v dobře izolovaných systémech a znamená, že změna energie pochází z práce, která byla vytvořeno podle aktuální úmluvy o označení (IUPAC).

Lze si myslet, že protože nedochází k přenosu tepelné energie, teplota zůstane konstantní, ale není tomu tak vždy. S překvapením má komprese izolovaného plynu za následek zvýšení jeho teploty, zatímco v adiabatické expanzi se teplota snižuje.

Procesy v uzavřené cestě a volné expanzi

V procesu uzavřené cesty se systém vrátí do stejného stavu, v jakém byl na začátku, bez ohledu na to, co se stalo ve středních bodech. Tyto procesy byly zmíněny dříve, když mluvíme o neizolovaných systémech.

V nich ΔU = 0, a proto Q = W nebo Q = -W v závislosti na přijatém kritériu označení.

Procesy s uzavřenou cestou jsou velmi důležité, protože tvoří základ tepelných motorů, jako je parní stroj.

A konečně, volná expanze je idealizace, která probíhá v tepelně izolované nádobě, která obsahuje plyn. Nádoba má dva oddíly oddělené přepážkou nebo membránou a plyn je v jednom z nich.

Objem nádoby se náhle zvětší, pokud dojde k prasknutí membrány a rozšíření plynu, ale nádoba neobsahuje píst nebo jiný předmět, který se má pohybovat. Potom plyn nepracuje, zatímco se rozšiřuje a W = 0. Protože je tepelně izolován, Q = 0 a okamžitě to znamená, že ΔU = 0.

Volná expanze proto nezpůsobuje změny v energii plynu, ale paradoxně není při expanzi v rovnováze.

Příklady

- Typickým izochorickým procesem je zahřívání plynu ve vzduchotěsné a pevné nádobě, například tlakový vařič bez vypouštěcího ventilu. Tímto způsobem zůstává objem konstantní a pokud uvedeme takový kontejner do kontaktu s jinými těly, vnitřní energie plynu se změní pouze díky přenosu tepla díky tomuto kontaktu.

- Tepelné stroje provádějí cyklus, ve kterém odebírají teplo z tepelné nádrže, přeměňují téměř všechno v práci, přičemž část nechávají pro vlastní provoz a přebytečné teplo se odvádí do další chladnější nádrže, což je obvykle okolní.

- Příprava omáček v odkryté nádobě je každodenním příkladem izobarického procesu, protože vaření se provádí za atmosférického tlaku a objem omáčky v průběhu času klesá, když se kapalina odpařuje.

- Ideální plyn, ve kterém probíhá izotermický proces, udržuje produkt jako konstantní tlak a objem: P. V = konstantní.

- Metabolismus teplokrevných zvířat jim umožňuje udržovat konstantní teplotu a provádět více biologických procesů na úkor energie obsažené v potravě.

Obrázek 2. Sportovci, stejně jako tepelné stroje, používají k práci palivo a přebytek se ztrácí potem. Zdroj: Pixabay.

Řešená cvičení

Cvičení 1

Plyn je stlačován při konstantním tlaku 0,800 atm, takže jeho objem se mění od 9,00 L do 2,00 L. V tomto procesu plyn uvolňuje prostřednictvím tepla 400 J energie. a) Najděte práci na plynu a b) vypočítejte změnu její vnitřní energie.

Řešení)

V adiabatickém procesu je splněno, že P _o = P _f, práce na plynu je W = P. ΔV, jak je vysvětleno v předchozích částech.

Jsou vyžadovány následující konverzní faktory:

Z tohoto důvodu: 0,8 atm = 81,060 Pa a Δ V = 9-2 L = 7 P = 0,007 m ³

Nahrazení získaných hodnot:

Řešení b)

Když se systém vzdá tepla, je Q přiřazeno znaménko - proto je první zákon termodynamiky následující:

ΔU = -400 J + 567,42 J = 167,42 J.

Cvičení 2

Je známo, že vnitřní energie plynu je 500 J, a když je stlačen adiabaticky jeho objem se snižuje o 100 cm ³. Pokud byl tlak působící na plyn během stlačování 3,00 atm, vypočtěte vnitřní energii plynu po adiabatickém stlačení.

Řešení

Protože prohlášení informuje, že komprese je adiabatická, je pravda, že Q = 0 a ΔU = W, pak:

S počátečním U = 500 J.

Podle údajů, Av = 100 cm ³ = 100 x 10 ^-6 m ³ a 3 atm = 303975 Pa, tedy:

Reference

1. Bauer, W. 2011. Fyzika pro strojírenství a vědy. Svazek 1. Mc Graw Hill.
2. Cengel, Y. 2012. Termodynamika. Vydání 7 ^ma. McGraw Hill.
3. Figueroa, D. (2005). Série: Fyzika pro vědu a techniku. Svazek 4. Kapaliny a termodynamika. Editoval Douglas Figueroa (USB).
4. López, C. První termodynamický zákon. Obnoveno z: Culturativeifica.com.
5. Knight, R. 2017. Fyzika pro vědce a inženýrství: strategický přístup. Pearson.
6. Serway, R., Vulle, C. 2011. Základy fyziky. 9 ^na Ed. Cengage Learning.
7. Sevilla University. Tepelné stroje. Obnoveno z: laplace.us.es.
8. Wikiwand. Adiabatický proces. Obnoveno z: wikiwand.com.