Första lagen om termodynamikformler, ekvationer, exempel

De Första lagen om termodynamik säger att alla förändringar som upplevs av ett systems energi kommer från det mekaniska arbetet, plus värmen som utbyts med miljön. Oavsett om de är i vila eller rör sig, har objekt (system) olika energier, som kan förvandlas från en klass till en annan genom någon typ av process.

Om ett system är i stillheten i laboratoriet och dess mekaniska energi är 0, har det fortfarande intern energi, eftersom partiklarna som komponerar det kontinuerligt upplever slumpmässiga rörelser.

Figur 1. En förbränningsmotor använder den första termodynamikens lag för att producera arbete. Källa: Pixabay.

Partiklarnas slumpmässiga rörelser, tillsammans med de elektriska interaktionerna och i vissa fall kärnkraften.

Det finns flera sätt att få dessa förändringar att hända:

- Den första är att systemet utbyter värme med miljön. Detta inträffar när det finns en temperaturskillnad mellan de två. Sedan ger den hetaste värmen - ett sätt att överföra energi - till det kallaste tills båda temperaturerna utjämnas och når den termiska jämvikten.

- Genom att utföra ett arbete, oavsett om systemet utför, eller att en extern agent gör det på systemet.

- Lägga till massa till systemet (massan är lika med energi).

Låt dig den inre energin, balansen skulle vara ΔU = U FINAL - U Initial, så det är bekvämt att tilldela skyltar, som enligt IUPAC -kriterier (International Union of Pure and Applied Chemistry) är:

- Q och W positiva (+), när systemet får värme och arbete utförs på det (energi överförs).

- Q och w negativ (-), om systemet ger värme och fungerar på miljön (energi minskar).

[TOC]

Formler och ekvationer

Den första lagen om termodynamik är ett annat sätt att bekräfta att energi inte skapas eller förstörs, men att den förvandlas från en typ till en annan. På så sätt kommer värme och arbete att ha inträffat, som kan användas. Matematiskt uttrycker på följande sätt:

Δu = q + w

Var:

- ΔU är förändringen i energin i systemet som ges av: ΔU = slutlig energi - initial energi = u_F - ELLER_antingen

- Q är värmeväxling mellan systemet och miljön.

- W är det arbete som görs på systemet.

I vissa texter presenteras den första lagen om termodynamik så här:

Δu = q - w

Detta betyder inte att det finns något fel eller det finns ett fel. Det beror på att W -arbetet definierades som det arbete som utförts av systemet istället för att använda det arbete som gjorts på systemet, som i IUPAC -metoden.

Med detta kriterium anges den första lagen om termodynamik på detta sätt:

När en mängd värme överförs till en kropp och detta i sin tur gör en del av, ges förändringen i dess inre energi av ΔU = q - w.

Att vara förenlig med valet av tecken och ta hänsyn till att:

Kan tjäna dig: hydraulisk press

W _{Gjort om systemet} = - W _{gjord av systemet}

Båda kriterierna ger korrekta resultat.

Viktiga observationer om den första lagen om termodynamik

Både värme och arbete är två sätt att överföra energi mellan systemet och dess miljö. Alla inblandade mängder har som en enhet i det internationella systemet juli eller joule, förkortad j.

Den första lagen om termodynamik erbjuder information om förändringen i energi, inte om de absoluta värdena för den slutliga eller initiala energin. Även några av dem kan tas som 0, för det som räknas är skillnaden i värden.

En annan viktig slutsats är att varje isolerat system har ΔU = 0, eftersom det inte kan byta värme med miljön, och inget externt medel får göra arbete på det, förblir energi konstant. En termos för att hålla kaffe varmt är ett rimligt tillvägagångssätt.

Så i ett FN -isolerat ΔU -system skiljer sig alltid från 0? Inte nödvändigtvis kan ΔU vara 0 om dess variabler, som vanligtvis är tryck, temperatur, volym och antal mol, passerar genom en cykel där deras initiala och slutliga värden är desamma.

I Carnot -cykeln till exempel blir all termisk energi användbart arbete, eftersom det inte överväger förluster på grund av friktion eller viskositet.

När det gäller u, systemets mystiska energi, inkluderar hon:

- Partiklarnas kinetiska energi när man rör sig och den som kommer från vibrationer och rotationer av atomer och molekyler.

- Potentiell energi på grund av elektriska interaktioner mellan atomer och molekyler.

- Interaktioner mellan atomkärnan, som i solens inre.

Ansökningar

Den första lagen konstaterar att det är möjligt att producera värme och arbete genom att göra den inre energin i en systemförändring. En av de mest framgångsrika applikationerna är förbränningsmotorn, där en viss volym gas tas och dess expansion används för att utföra ett jobb. En annan välkänd applikation är ångmotorn.

Motorer använder vanligtvis cyklerna eller processerna där systemet startar från en initial jämviktsbalans till ett annat slutligt tillstånd, även av jämvikt. Många av dem äger rum under förhållanden som underlättar beräkningen av arbete och värme från den första lagen.

Därefter presenterar vi enkla modeller som beskriver ofta och vardagliga situationer. De mest illustrativa processerna är de adiabatiska, isokoriska, isotermiska, isotermiska processerna, stängda banprocesser och fri expansion. I dem är en systemvariabel konstant och följaktligen antar den första lagen en viss form.

Isokoriska processer

Är de där systemets volym förblir konstant. Därför görs inte arbete och att vara w = 0 kvarstår:

ΔU = q

Isobárico -processer

I dessa processer förblir trycket konstant. Det arbete som utförts av systemet beror på förändring i volym.

Kan tjäna dig: Motståndstermometer: Egenskaper, drift, användningar

Anta att en begränsad gas i en behållare. Eftersom arbete W definieras som:

W = Force X -förskjutning = F.ΔL (giltig för konstant kraft parallell med förskjutning).

Och i sin tur är trycket:

P = f /a ⇒ f = p.TILL

Genom att ersätta denna kraft i uttrycket av arbete resulterar det:

W = p. TILL. ΔL

Men produkten TILL. ΔL Det motsvarar förändringen i volym ΔV och lämnar arbetet så här:

W = p ΔV.

För en isobarisk process antar den första lagen formen:

ΔU = Q - P ΔV

Isotermiska processer

Det är de som passerar vid konstant temperatur. Detta kan äga rum genom att sätta systemet med en extern termisk tank och göra värmeväxling utförs mycket långsamt, så att temperaturen är konstant.

Till exempel kan värme strömma från en het tank till systemet, vilket gör att systemet kan göra arbete, utan variation i ΔU. Så:

Q + W = 0

Adiabatiska processer

I den adiabatiska processen finns det ingen termisk energiöverföring, därför är Q = 0 och den första lagen reduceras till ΔU = W. Denna situation kan ges i väl isolerade system och innebär att förändringen i energi kommer från det arbete som har gjorts på den, enligt den nuvarande teckens konvention (IUPAC).

Man kunde tänka att eftersom det inte finns någon termisk energiöverföring kommer temperaturen att förbli konstant, men det är inte alltid så. Överraskande resulterar komprimeringen av en isolerad gas i en ökning av dess temperatur, medan i den adiabatiska expansionen minskar temperaturen.

Stängda banprocesser och gratis expansion

I en Stängd banaprocess, Systemet återgår till samma tillstånd som det hade i början, oavsett vad som hände på mellanpunkterna. Dessa processer nämndes ovan när de talade om icke -isolerade system.

I dem ΔU = 0 och därför Q = W eller Q = -w enligt kriteriet på antagna tecken.

Stängda banprocesser är mycket viktiga eftersom de utgör grunden för termiska maskiner som ångmaskinen.

Slutligen, Gratis expansion Det är en idealisering som utförs i en termiskt isolerad behållare som innehåller en gas. Behållaren har två fack separerade med en partition eller membran och gasen är i en av dem.

Behållarens volym ökar plötsligt om membranet bryts och gasen expanderar, men behållaren innehåller inte en kolv eller något annat föremål att röra sig. Då fungerar inte gasen när du expanderar och w = 0. För att vara termiskt isolerad q = 0 och omedelbart dras det att ΔU = 0.

Därför orsakar fri utvidgning inte förändringar i gasenergi, men paradoxalt vid utvidgningen är inte i balans.

Exempel

- En typisk isokorisk process är uppvärmningen av en gas i en hermetisk och styv behållare, till exempel en tryckkruka utan avgasventil. På detta sätt förblir volymen konstant och om vi sätter en sådan behållare i kontakt med andra kroppar ändras gasens inre energi endast tack vare värmeöverföringen på grund av denna kontakt.

Kan tjäna dig: ceded värme: formler, hur man beräknar den och lösta övningar

- De termiska maskinerna utför en cykel där de tar värme från en termisk insättning, gör nästan allt till arbete, lämnar en del för sin egen operation och överskottsvärme häller den i en annan kallare tank, som vanligtvis är miljön.

- Att förbereda såser i en upptäckt kruka är ett dagligt exempel på isobarisk process, eftersom matlagning utförs vid atmosfärstryck och volymen av salsa minskar över tid medan förångning av vätskan.

- En idealisk gas där en isotermisk process äger rum upprätthåller produkten av trycket efter volymkonstant: P. V = konstant.

- Hotblodda djur Metabolism gör att de kan upprätthålla en konstant temperatur och utföra flera biologiska processer, på bekostnad av energin i maten.

figur 2. Idrottare, som termiska maskiner, använder bränsle för att göra arbete och överskott går förlorat genom svett. Källa: Pixabay.

Löst övningar

Övning 1

En gas komprimeras med ett konstant tryck på 0.800 atm, så att volymen varierar från 9.00 L A 2.00 L. Under processen ger gasen 400 J värmeenergi. a) Hitta arbetet som gjorts på gas och b) Beräkna förändringen i dess inre energi.

Lösning till)

I den adiabatiska processen uppfylls det P_antingen = P_F, Det arbete som görs på gasen är W = p. ΔV, Som förklarats i föregående avsnitt.

Följande omvandlingsfaktorer krävs:

1 atm = 101.325 kpa = 101.325 PA.

1 l = 0.001 m³

Därför: 0.8 atm = 81.060 PA och 5V = 9 - 2 l = 7 l = 0.007 m³

Ersättning av värdena erhålls:

W = 81060 pa x 0.007 m³ = 567.42 J

Lösning B)

När systemet ger värme, till Q Det är tilldelat tecken -Därför förblir den första lagen om termodynamik på detta sätt:

ΔU = -400 J + 567.42 J = 167.42 J.

Övning 2

Det är känt att den inre energin i en gas är 500 J och när dess volym är adiabatiskt komprimerad i 100 cm³. Om det applicerade trycket på gasen under kompression var 3.00 atm, beräkna gasens inre energi efter adiabatisk komprimering.

Lösning

Eftersom uttalandet informerar om att komprimering är adiabatisk, uppfylls det Q = 0 och ΔU = W, så:

Δu = w = u _slutlig - ELLER _första

Med u initial = 500 j.

Enligt uppgifterna ΔV = 100 cm³ = 100 x 10^-6 m³ och 3 ATM = 303975 PA, därför:

W = p . ΔV = 303975 PA x 100 x 10^-6 m³ = 30.4 J

ELLER _slutlig - ELLER _första = 30.4 J

ELLER _slutlig = U _första + 30.4 j = 500 j + 30.4 J = 530.4 J.

Referenser

1. Bauer, w. 2011. Fysik för teknik och vetenskap. Volym 1. MC Graw Hill.
2. Cengel och. 2012. Termodynamik. 7^ma Utgåva. McGraw Hill.
3. Figueroa, D. (2005). Serie: Physics for Science and Engineering. Volym 4. Vätskor och termodynamik. Redigerad av Douglas Figueroa (USB).
4. López, c. Termodynamikens första lag. Återhämtat sig från: kulturientifica.com.
5. Riddare, r. 2017. Fysik för forskare och teknik: En strategistrategi. Pearson.
6. Serway, R., Vule, c. 2011. Fysikens grunder. 9^na Ed. Cengage Learning.
7. Sevilla universitet. Termiska maskiner. Återhämtat sig från: Laplace.oss.är.
8. Wikiwand. Adiabatisk process. Återhämtat sig från: wikiwand.com.