Формулировка 1 закона термодинамики: Первый закон термодинамики. Как рассказать просто о сложном? – статья – Корпорация Российский учебник (издательство Дрофа – Вентана) - Санкт-Петербургское государственное бюджетное учреждение социального обслуживания населения

Содержание

Первый закон термодинамики

Прежде чем мы сформулируем основной закон термодинамики, давайте вспомним основные понятия и определения физической химии. Химические реакции связаны с различными физическими процессами: теплопередачей, поглощением или выделением теплоты, поглощением или излучением света, электрическими явлениями, изменением объема и тому подобное. В химических реакциях происходят связанные физические и химические явления, изучение этой взаимосвязи — основная задача физической химии.

Основные понятия и определения термодинамики

Главное внимание в физической химии уделяется исследованию законов протекания химических процессов, состояния химического равновесия, изучению строения и свойств молекул, что позволяет решать основную задачу физической химии — понимать прохождение химического процесса и его конечный результат. Это дает возможность управлять химическим процессом, то есть обеспечить более быстрое и полное прохождение реакции. Такие важнейшие производственные процессы, как синтез и окисление аммиака, получение серной кислоты, производство этанола из природного газа, крекинг нефти — стали возможными в результате успехов физической химии.

Наиболее важными разделами физической химии являются: химическая термодинамика и химическая кинетика. Каждый раздел имеет свою внутреннюю структуру и довольно часто рассматривается отдельно. Например, в химической термодинамике выделяют следующие подразделения: основные законы, термохимия, учение о растворах, химическую и фазовую равновесие и тому подобное. Как отдельные науки от физической химии отделились коллоидная химия и электрохимия.

Сегодня физическая химия — отдельная дисциплина со своими методами исследования, которая является теоретической базой прикладных химико-технологических дисциплин. Она основана на применении методов квантовой химии, химической термодинамики и химической кинетики.

Термодинамика исторически возникла как учение о тепловых машины. В дальнейшем, когда выяснилось, что ее основные положения имеют принципиальное значение, термодинамика сформировалась в отдельную фундаментальную научную дисциплину, которая изучает взаимные превращения теплоты, работы и различных видов энергии. Термодинамика базируется на экспериментально установленных законах — принципах термодинамики.

Химическая термодинамика применяет положения и законы общей термодинамики для изучения химических явлений. Сегодня применение термодинамических методов для исследования химических реакций помогает выявить реакции в системе возникающие при заданных температуре, давлении и концентрациях, которые могут проходить спонтанно (т.е. без затрат работы извне), выяснить предел спонтанного их прохождения и как надо менять условия, чтобы процесс проходил в нужном направлении и степени. На основе термодинамических методов можно определить также максимальное количество работы, которая может быть получена от системы или минимальное количество работы, которую необходимо затратить извне для осуществления процесса. Вместе с тем термодинамические методы позволяют определить тепловые эффекты различных процессов. Все это имеет большое значение и для теоретического исследования, и для решения задач прикладного характера.

Одним из основных понятий химической термодинамики является понятие термодинамической системы. Система — это тело или группа тел, которые взаимодействуют энергетически, и которые мысленно или физически отделены от тел, которые их окружают. Тела, которые окружают термодинамическую систему, называются внешней или окружающей средой.

Системы классифицируют на изолированные, закрытые и открытые. Изолированная система не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией. Закрытая система обменивается с окружающей средой только энергией. Открытая система обменивается с окружающей средой и веществом, и энергией.

Также системы делятся на гомогенные и гетерогенные. Гомогенная система — это система, внутри которой нет поверхностей, отделяющие одни части системы от других (к примеру, смеси газов). Гетерогенная система — это система, состоящая из двух или нескольких частей, различных по физическим свойствам или химическому составу и отделенных поверхностями распределения (лед и вода, жидкость и ее пары, две жидкости, которые не смешиваются).

Фаза -это гомогенная часть гетерогенной системы, имеет одинаковый состав, физические и химические свойства, отделенная от других частей поверхностью раздела, при переходе через которую происходит скачкообразное изменение ее свойств. Фазы бывают твердые, жидкие и газообразные.

Компонент термодинамической системы — это некоторая вещество, входящее в систему, которую можно выделить из системы и которая может существовать в свободном состоянии.

Состояние термодинамической системы может определяться совокупностью его физических и химических свойств. Все величины, характеризующие любое свойство рассматриваемой системы, называются термодинамическими параметрами. Состояние термодинамической системы, которая состоит из чистого вещества и находится в равновесии, определяется параметрами Р, V, T. Связь между этими параметрами при отсутствии силовых полей в общем виде описывается уравнением f (P, V, T) = 0. Это уравнение называется уравнением состояния. Для определения состояния термодинамической системы при отсутствии каких-либо действий со стороны окружающей среды достаточно задать два параметра. Третий параметр может определяться из уравнения состояния. Заданные параметры называются независимыми параметрами.

Формы обмена энергией: теплота и работа

В химической термодинамике рассматриваются два основных способа обмена энергией между системой и окружающей средой: обмен энергией в виде теплоты и обмен энергией в виде работы. Первый способ обмена энергией осуществляется при непосредственном контакте тел, которые имеют разную температуру. При этом энергия передается от тел с большей температурой к телам с меньшей температурой.

Теплота процесса это энергия, которая передается одним телом другому при их взаимодействии, которая зависит только от температур этих тел, и которая не связана с переносом вещества.

Второй способ обмена энергией обусловлен наличием силовых полей или внешнего давления. При таком обмене термодинамическое тело должно двигаться в силовом поле или под действием внешнего давления изменять свой объем. Такой способ обмена энергией называется передачей энергии в виде работы, а энергия, которая передается одним телом другому при их взаимодействии, не зависит от температуры этих тел и не связана непосредственно с переносом тепла от одного тела к другому, называется работой процесса.

Термодинамическая система при определенных условиях может перейти в состояние, характеризующееся постоянством ее параметров по времени. Такое положение системы называется состоянием равновесия. Состояние системы, при котором отсутствует равновесие, называется неравновесным.

Изменения состояния термодинамической системы, связанные с изменениями ее параметров, называется термодинамическим процессом. Процесс изменения состояния системы может быть равновесным и неравновесным. Равновесным называется процесс, который рассматривается как непрерывная череда равновесных состояний системы. Во всех частях такой системы давление, температура, удельный объем и другие физические свойства одинаковы. Процесс, в котором система проходит через неравновесные состояния, называется неравновесным процессом.

Термодинамические процессы бывают обратимыми и необратимыми. Обратимым является равновесный процесс, если при прохождении его в обратном направлении система приходит в исходное состояние и в окружающей среде при этом не происходит никаких изменений. Процессы, которые не удовлетворяют этому условию, является необратимыми. К ним относятся все неравновесные процессы, а также равновесные процессы, которые допускают обратимость, но с изменением окружающей среды.

Формулировка первого закона термодинамики

Первый закон термодинамики представляет собой постулат, вытекающий из многовекового опыта человечества. Существует несколько формулировок первого закона термодинамики, которые равноценны друг другу и вытекают друг из друга. Первый закон термодинамики непосредственно связан с законом сохранения энергии: в любой изолированной системе запас энергии остается постоянным. Отсюда следует закон эквивалентности различных форм энергии: различные формы энергии переходят друг в друга в строго эквивалентном количестве.

Первый закон термодинамики можно сформулировать так: вечный двигатель первого рода невозможен, то есть невозможно построить машину, которая выполняла бы механическую работу, не тратя на это соответствующего количества энергии.
Еще одна формулировка закона: изменение внутренней энергии системы при переходе из одного состояния в другое равно сумме количества теплоты, подведенной к системе извне и работе внешних сил действующих на нее: ∆U=Q+A

Как уже отмечалось, система может обмениваться энергией с окружающей средой в форме теплоты и работы. Опыт показывает, что изменение внутренней энергии системы равно алгебраической сумме этих двух величин: dU = δQ — δA

Знак «минус» перед величиной работы соответствует рассматриваемому правилу знаков. Выражение часто записывают в виде: δQ = dU + δA

Эти оба выражения являются математическими формами первого закона термодинамики, который можно сформулировать так: теплота, которая поглощается системой, расходуется на изменение внутренней энергии и совершение системой работы

Для случая, когда единственным видом работы, которую осуществляет система, является работа сил расширения: δQ = dU + PdV.

В термодинамике важное значение имеет свойство системы, которая получила название — теплоемкость. Теплоемкость — это количество предоставленной системе теплоты которая отнесена к наблюдаемому при этом повышении температуры. Различают среднюю и истинную теплоемкости:

Найдем связь между ними

Подставляя значение ΔQ в выражение для С, получим

Теплоемкость, как правило, рассчитывают или на 1 кг вещества (удельная теплоемкость), либо — на 1 моль (молярная). В физической химии используют преимущественно молярные величины.

Для газов существенное значение имеют теплоемкости при постоянном объеме С_V и при постоянном давлении С_Р

При Р = const и Н = U + PV, или U = H-PV, находим dU = dH-PdV и подставляем это значение в формулу для первого закона термодинамики, получаем

δQ = dH — PdV + PdV = dH

Итак,

Чтобы найти связь между С _Р и С _V , надо продифференцировать по температуре выражение Н = U + PV:

Теплоемкость подлежит правилу аддитивности: теплоемкость сложных термодинамических систем равна сумме теплоемкостей их составных частей:

С = С₁ + С₂ + С₃ + … + С_к

Зависимость теплоемкости индивидуальных веществ от температуры, как правило, описывают эмпирическим ступенчатым рядом:

Выводы

В данной статье рассмотрены понятия основных величин, используемых в химической термодинамике. Приведена классификация систем и процессов. Введены понятия внутренней энергии, энтальпии, теплоты, работы. Рассмотрены понятия функции состояния системы. Сформулирован первый закон термодинамики и на этом основании выведено уравнение для расчета теплоты и работы в основных термодинамических процессах.

В чем заключается смысл первого закона термодинамики?

Термодинамикой называют науку, изучающую природные явления, которые сопровождаются передачей теплоты. Объектом изучения термодинамики является термодинамическая система. Термодинамика базируется на экспериментально установленных истинах, представленных в виде законов (начал).

На рисунке 1 схематично изображены потоки энергии, перемещающиеся между выделенной системой и окружающей средой. При движении теплового потока к термодинамической системе величина количества теплоты (Q) принимает значения больше нуля. В случае, если система совершает работу над внешними телами, выполняется неравенство A>0.

Рисунок 1 — Обмен энергией между термодинамической системой и окружающей средой

Протекание теплообменных процессов между окружающей средой и отдельно взятой системой сопровождается изменением её параметров:

температуры;
давления;
объёма.

Зависимость внутренней энергии от указанных параметров приводит к её изменению при обмене теплом или совершении работы (\[\Delta U\]).

Формулировка первого закона термодинамики

Первый закон термодинамики представляет собой количественное выражение закона сохранения энергии. Он учитывает изменения внутренней энергии и теплообмен.

Формулы 1 — 2

Математическая формула первого закона термодинамики выглядит следующим образом:

\[\Delta U=Q-A\]

На основании представленной формулы, формулировка первого закона термодинамики будет звучать так: процесс возникновения или исчезновения энергии невозможен – энергия системы при всех её изменениях сохраняет постоянную величину. Из представленного определения можно сделать вывод, что создать вечный двигатель первого рода невозможно. Это такой двигатель, полезная работа которого превышает подведенное к нему количество энергии.

При этом в истории человечества было немало попыток создать вечный двигатель, но ни одна из них не достигла успеха.

Математика позволяет записать уравнение первого закона термодинамики относительно количества теплоты:

\[Q=\Delta U+A\]

В таком случае возможно сформулировать закон по-другому: полученное системой количество теплоты направлено на изменение её внутренней энергии и совершение работы над окружающими объектами.

Положения первого закона термодинамики имеют доказательную базу, основанную на проведенных экспериментах. Первое начало термодинамики доказывает невозможность возникновения энергии из ниоткуда, так же, как и её бесследное исчезновение. Энергия передается между системами и изменяет свои формы в процессе передачи.

Невозможность создания вечного двигателя – ещё одно следствие первого начала. Такое утверждение следует из первого и второго законов термодинамики.

Применение первого закона термодинамики

Процессы, при протекании которых один из параметров газа остается постоянным, называются изопроцессами. Практическое применение первого закона термодинамики отражено в описании этих процессов.

Изохорный

При протекании изохорного процесса объем вещества остается постоянным (\[V=c o n s t\]). Для реализации изохорного процесса можно нагревать или охлаждать газ, находящийся в замкнутом сосуде постоянного объема.

В случае, если объем вещества остается постоянным, его работа равна нулю (A=0), то есть газ не совершает работу.

Формула 3

Для изохорного процесса справедлива формула:

\[Q=\Delta U=U\left(T_{2}\right)-U\left(T_{1}\right)\]

Члены данного уравнения \[U\left(T_{1}\right)\] и \[U\left(T_{2}\right)\] – это внутренние энергии газа при исходной температуре и в конце процесса соответственно. Закон Джоуля устанавливает, что внутренняя энергия газа зависит только от температуры.

Если температура газа повышается при постоянном объеме, происходит его нагревание и система поглощает тепло (Q < 0), что приводит к увеличению внутренней энергии. В случае охлаждения газа, тепло отдается во внешнюю среду (Q < 0).

Изобарный

Формула 4

Изобарный процесс характеризуется постоянством давления (\[p=c o n s t\]). Работа газа, совершаемая над внешними объектами, будет определяться по формуле:

\[A=p\left(V_{2}-V_{1}\right)=p \Delta V\]

Уравнение первого закона термодинамики при изобарном процессе примет вид:

\[Q=U\left(T_{2}\right)-U\left(T_{1}\right)+p\left(V_{2}-V_{1}\right)=\Delta U+p \Delta V\]

Изобарное расширение сопровождается поглощением газом тепла (Q>0), а его работа принимает значения больше нуля. Если происходит сжатие при постоянном давлении, то тепло отдается окружающей среде, а работа над внешними объектами отрицательна (A<0). Конечная температура в процессе сжатия будет меньше исходной. Внутренняя энергия уменьшится (\[\Delta U<0\]).

Нет времени решать самому?

Наши эксперты помогут!

Контрольная

| от 300 ₽ |

Реферат

| от 500 ₽ |

Курсовая

| от 1 000 ₽ |

Изотермический

Изотермический процесс осуществляется без изменения температуры газа (\[T=C o n s t\]). Закон Джоуля устанавливает, что внутренняя энергия зависит только от температуры. Поскольку температура рабочего тела сохраняется постоянной при изотермическом процессе, изменение внутренней энергии равно нулю (\[\Delta U=0\]).

Формула 5

Для изотермического процесса первый закон термодинамики записывается так:

\[Q=A\]

Исходя из формулы, можно сделать вывод, что подведенное к системе количество теплоты при изотермическом расширении затрачивается на внешнюю работу газа. При изотермическом сжатии происходит обратный процесс – работа внешних сил, совершенная над рабочим телом, переходит в теплоту, которая передается окружающей среде.

Адиабатный

Все описанные выше процессы отличает наличие теплообмена с внешней средой. Однако в физике изучаются процессы, которые происходят без теплового обмена системы и окружающих предметов.

Примером может служить адиабатный процесс, который тоже является изопроцессом. Он протекает в пределах так называемой адиабатической оболочки. {\gamma}=\text { const }\]

Здесь γ – показатель адиабаты, рассчитывающийся по формуле:

\[\gamma=\frac{C_{p}}{C_{V}}\]

Члены уравнения \[C_{p}\] и \[C_{v}\] называются теплоемкостями газа при постоянных давлении и объёме соответственно. Показатель адиабаты может принимать несколько разных значений:

\[\gamma=1,67\]– для одноатомного;
\[\gamma=1,4\]– для двухатомного;
\[\gamma=1,3\]– для многоатомных газов.

Работа газа над внешними объектами в описываемом процессе определяется из формулы:

\[A=C_{V}\left(T_{2}-T_{1}\right)\]

В этом выражении \[T_{2}\] и \[T_{1}\] – конечная и начальная температуры.

Энтропия

Энтропия отражает результат спонтанных изменений, происходящих в системе. Энтропия – это степень неупорядоченности.

Изменение энтропии – величина, эквивалентная полученной системой теплоте \[\left(\frac{\Delta Q}{T}\right)\], а поскольку изменения количества теплоты не происходит ни на одном из участков адиабатного процесса (\[\Delta Q=0\]), энтропия в этом процессе остается постоянной.

Все изопроцессы квазистатические. Это значит, что они протекают с бесконечно малой скоростью и представлены в виде бесконечного числа равновесных состояний.

Но адиабатные процессы не всегда являются квазистатические, поскольку они протекают в изолированной системе.

Одна из характеристик квазистатического процесса – обратимость. Примером неквазистатического (необратимого) процесса может служить расширение газа в пустое пространство.

На рисунке 4 изображена адиабатная оболочка, представленная в виде двух камер, соединенных проводящей трубкой. Трубка закрыта вентилем. В одной из камер находится газ, в другой – вакуум. При открытии задвижки газ начнет заполнять все предоставленное пространство. В итоге обе камеры окажутся заполненными, а состояние системы вновь станет равновесным.

Поскольку протекающий процесс адиабатный, теплообмен с окружающей средой исключен, значит Q=0. Газ не совершает работы над внешними телами, поскольку находится в пределах недеформируемого сосуда. Внутренняя энергия рабочего тела не изменяется, исходя из первого закона термодинамики (\[\Delta U=0\]). Поскольку изменение внутренней энергии определяется непосредственно изменением температуры газа, можно сделать вывод, что температура в начале процесса равна температуре в конце.

Точки двух этих положений на графике будут находиться на одной изотерме. Что касается состояний, в которых находился газ между двумя этими точками, то все они не равновесны и их нельзя показать в плоскости p — V.

Рисунок 4 – Расширение газа в пустоту
Процессы первого закона термодинамики
Для более наглядного представления об описанном применении первого закона термодинамики к изопроцессам можно обобщить основные сведения о них в таблице 1.
Процесс Константа Уравнение
Изохорный \[V=c o n s t\] \[Q=U\left(T_{2}\right)-U\left(T_{1}\right)\]
Изобарный \[p=\text { const }\] \[Q=\Delta U+p \Delta V\]
Изотермический \[T=c o n s t\] \[Q=A\]
Адиабатный \[Q=c o n s t\] \[A=-\Delta U\]
Таблица 1 – основные сведения о изопроцессах
6.
3: Первый закон термодинамики
Последнее обновление

Сохранить как PDF
Идентификатор страницы
169992
Первый закон термодинамики
Одно из величайших достижений XIX века.^-й век был признанием того, что теплота и работа являются двумя формами одной и той же вещи (энергии), а теплота и работа являются единственными способами, которыми мы можем передавать энергию от одного объекта к другому. Мы можем резюмировать эти утверждения следующим образом:
В любом процессе энергия никогда не может быть создана или уничтожена; он может передаваться
от одного объекта к другому только в виде тепла и/или работы.

Это утверждение называется Первым законом f Термодинамика , и его также можно записать в виде математического уравнения:
\[\Delta E = q + w\]
Где
\(\Delta E\) – изменение внутренней энергии система (совокупность материи)
\(q\) количество тепла, переданного в систему или из нее
\(w\) это количество работы, выполненной системой или над ней
Первый закон термодинамики и закон сохранения энергии
Первый закон термодинамики на самом деле является законом сохранения энергии, сформулированным в форме, наиболее полезной в термодинамике.
Первый закон устанавливает связь между теплопередачей, выполненной работой и изменением внутренней энергии системы.
Вот три примера. Обратите внимание, что в каждом случае мы должны быть осторожны, чтобы указать нашу систему, прежде чем назначать знаки \(q\) и \(w\).
Вы нагреваете стакан с водой: Если мы выберем воду в качестве нашей системы, \(q\) будет положительным числом, потому что тепло передается воде. Энергия воды увеличивается, когда мы ее нагреваем, поэтому \(\Delta E\) положительно, и \(q\) должно с этим согласовываться.
Вы поднимаете чемодан: Если учесть вы , чтобы быть системой, \(w\) является отрицательным числом, потому что вы выполняете работу. Энергия вашего тела уменьшается, когда вы поднимаете чемодан, поэтому \(\Delta E\) отрицательна, и \(w\) должно согласовываться с этим. С другой стороны, если мы рассматриваем чемодан как систему, \(w\) является положительным числом, потому что окружающая среда выполняет работу над чемоданом. (Если вы не система, вы часть окружения.)
Вы бросаете кубик льда в стакан с горячей водой: Если мы рассматриваем кубик льда как систему, \(q\) является положительным числом, потому что кубик льда поглощает тепло (и получает энергию). Если рассматривать горячую воду как систему. \(q\) — отрицательное число, потому что вода теряет тепло (и теряет энергию).

Теплота и Работа в Первом Законе
Теплота \(q\) и работа \(w\) – это два повседневных средства подачи энергии в систему или отвода энергии из нее. Процессы совсем другие. Теплопередача, неорганизованный процесс, обусловлена разницей температур. Работа, вполне организованный процесс, включает в себя действие макроскопической силы на расстоянии. Тем не менее, теплота и работа могут давать одинаковые результаты. Например, оба могут вызвать повышение температуры. Передача тепла в систему, например, когда солнце нагревает воздух в велосипедной шине, может повысить его температуру, и, таким образом, над системой может совершаться работа, например, когда велосипедист накачивает воздух в шину.

После того, как произошло повышение температуры, невозможно сказать, было ли оно вызвано теплопередачей или совершением работы. Эта неопределенность является важным моментом. И теплота, и работа представляют собой энергию в пути — ни одна из них не хранится как таковая в системе. Однако и то, и другое может изменить внутреннюю энергию \(E\) системы.
внутренняя энергия \(E\) системы представляет собой сумму кинетической и потенциальной энергий ее атомов и молекул. Поскольку невозможно уследить за всеми отдельными атомами и молекулами, мы должны иметь дело со средними значениями и распределениями.

Внутренняя энергия \(E\) системы зависит только от состояния системы и не от того, как она достигла этого состояния . Более конкретно, \(E\) оказывается функцией нескольких макроскопических величин (например, давления, объема и температуры), не зависящих от прошлой истории, например, от того, была ли теплопередача или проделанная работа. Эта независимость означает, что если мы знаем состояние системы, мы можем вычислить изменения ее внутренней энергии \(U\) по нескольким макроскопическим переменным.
Чтобы получить лучшее представление о внутренней энергии системы, давайте рассмотрим систему, переходящую из состояния 1 в состояние 2. Система имеет внутреннюю энергию \(E_1\) в состоянии 1, и у нее есть внутренняя энергия энергия \(E_2\) в состоянии 2, независимо от того, как она попала в любое состояние. Таким образом, изменение внутренней энергии
\[\Delta E = E_2 – E_1\]
не зависит от того, что вызвало это изменение. Другими словами, \(\delta E\) не зависит от пути . Под путем мы подразумеваем способ добраться из начальной точки в конечную. Почему важна эта независимость? И \(q\), и \(w\) зависит от пути , но \(\Delta E\) не зависит (уравнение 6.3.1). Эта независимость от пути означает, что внутреннюю энергию \(E\) легче учитывать, чем теплопередачу или выполненную работу.
Пример \(\PageIndex{1}\): расчет изменения внутренней энергии – одно и то же изменение \(E\) вызывается двумя различными процессами
Вопрос:
Предположим, что теплопередача равна 40,00 Дж в систему, при этом система совершает работу 10,00 Дж. Затем из системы передается 25,00 Дж тепла, а над системой совершается работа 4,00 Дж. Каково чистое изменение внутренней энергии системы?
Как изменится внутренняя энергия системы, если из системы будет передано 150,00 Дж теплоты, а над системой будет совершено 159,00 Дж работы
Стратегия:
В части (a) мы должны сначала найти чистую теплопередачу и чистую работу, выполненную на основе данной информации. Затем первый закон термодинамики (уравнение 6.3.1).
можно использовать для определения изменения внутренней энергии. В части (b) даны чистая теплопередача и проделанная работа, поэтому уравнение можно использовать напрямую.
Решение для (a)
Чистая теплопередача – это теплопередача в систему за вычетом теплопередачи из системы, или
\[ q = q_{in} + q_{out} = 40,00 Дж + (- 25,00 Дж) = 15,00 Дж \нечисло\]
Аналогично, общая работа равна работе, выполненной системой, за вычетом работы, выполненной системой, или
\[w = w_{in}+q_{out } = 4,00 Дж + (-10,00 Дж) = -6,00 Дж \номер\]
Суммируя чистую теплопередачу и общую работу, получаем
\[\Delta E = q + w = 15 Дж + (-6,00 Дж) = 9,00 Дж. \номер\]
Решение для (b)
Здесь чистая теплопередача и полная работа даны непосредственно быть \(q = -150,00 Дж\) и \(w = +159,00 Дж\), так что
\[\Delta E= q + w = -150,00 + 159,00 = 9,00 Дж \номер\]
Обсуждение
Совершенно другой процесс в части (b) приводит к тому же изменению внутренней энергии на 9,00 Дж, что и в части (a). Обратите внимание, что изменение в системе в обеих частях связано с \(\Delta E\), а не с отдельными задействованными \(q\)s или \(w\). Система заканчивается в то же самое состояние как в (a), так и в (b). Части (а) и (б) представляют два разных пути, по которым система должна следовать между одними и теми же начальной и конечной точками, и изменение внутренней энергии для каждого одинаково — оно не зависит от пути.
Резюме
В таблице представлены термины, относящиеся к первому закону термодинамики.
Срок Определение
\(Е\) Внутренняя энергия — сумма кинетической и потенциальной энергий атомов и молекул системы. Можно разделить на множество подкатегорий, таких как тепловая и химическая энергия. Зависит только от состояния системы (например, от ее \(P\), \(V\) и \(T\), а не от того, как энергия поступила в систему. Изменение внутренней энергии не зависит от пути.
\(к\) Тепло — энергия, передаваемая из-за разницы температур. Характеризуется беспорядочным движением молекул. Сильно зависит от пути. \(q\), входящий в систему, положителен.
\(ж\) Работа — энергия, передаваемая силой, движущейся на расстояние. Организованный, упорядоченный процесс. Зависит от пути. \(w\), совершаемое системой (либо против внешней силы, либо для увеличения объема системы), положительно.
Первый закон термодинамики записывается как \(\Delta E = q + w\), где \(\Delta E\) – изменение внутренней энергии системы, \(q\) – чистая теплопередача (сумма всей теплопередачи в систему и из нее), а \(w\) – чистая выполненная работа (сумма всей работы, выполненной системой или системой).
И \(q\), и \(w\) представляют собой транзитную энергию; только \(\Delta E\) представляет собой независимую величину, которую можно сохранить.
Внутренняя энергия \(E\) системы зависит только от состояния системы, а не от того, как она достигла этого состояния.
Глоссарий
первый закон термодинамики
утверждает, что изменение внутренней энергии системы равно чистому переносу тепла в систему за вычетом чистой выполненной работы по система
внутренняя энергия
сумма кинетической и потенциальной энергий атомов и молекул системы
Наверх
Была ли эта статья полезной?
Тип изделия
Раздел или Страница
Лицензия
CC BY-NC-SA
Версия лицензии
4,0
Показать страницу TOC
да на странице
Теги
источник-хим-169763
15.
1: Первый закон термодинамики
Последнее обновление
Сохранить как PDF
Идентификатор страницы
1594
OpenStax
OpenStax
Цели обучения
К концу этого раздела вы сможете:
Дайте определение первому закону термодинамики.
Опишите, как сохранение энергии связано с первым законом термодинамики.
Определить случаи применения первого закона термодинамики в повседневных ситуациях, включая биологический метаболизм.
Рассчитать изменения внутренней энергии системы после учета теплопередачи и выполненной работы.
Если нас интересует, как теплопередача преобразуется в работу, то важен принцип сохранения энергии. первый закон термодинамики применяет принцип сохранения энергии к системам, в которых передача тепла и выполнение работы являются методами передачи энергии в систему и из нее.
Рисунок \(\PageIndex{1}\): Этот кипящий чайник представляет энергию в движении. Вода в чайнике превращается в водяной пар, потому что тепло передается от плиты к чайнику. По мере того, как вся система нагревается, совершается работа — от испарения воды до свиста чайника. (кредит: Джина Гамильтон)
Первый закон термодинамики гласит, что изменение внутренней энергии системы равно чистому переносу тепла в систему за вычетом чистой работы, выполненной системой. В форме уравнения первый закон термодинамики равен
.
\[\Delta U = Q – W. \label{first}\]
Здесь \(\Delta U\) есть изменение внутренней энергии \(U\) системы. \(Q\) – это чистого тепла, переданного в систему — то есть \(Q\) представляет собой сумму всего теплопереноса в систему и из нее. \(W\) — это чистая работа, выполненная системой , то есть \(W\) — это сумма всей работы, выполненной системой или над ней. Мы используем следующие соглашения о знаках: если \(Q\) положительна, то в систему имеет место чистый теплообмен; если \(W\) положительно, то система совершает чистую работу. Таким образом, положительный \(Q\) добавляет энергию системе, а положительный \(W\) забирает энергию у системы. Таким образом, \(\Delta U = Q – W\). Обратите также внимание, что если в систему передается больше тепла, чем совершается работа, разница сохраняется в виде внутренней энергии. Хорошим примером этого являются тепловые двигатели — в них происходит передача тепла, чтобы они могли совершать работу (рис. \(\PageIndex{2}\)). Теперь мы рассмотрим \(Q, \, W\) и \(\Delta U\) дальше.
Рисунок \(\PageIndex{2}\): Первый закон термодинамики — это принцип сохранения энергии, установленный для системы, в которой теплота и работа являются методами передачи энергии для системы, находящейся в тепловом равновесии. \(Q\) представляет собой чистую теплопередачу – это сумма всех теплопередач в систему и из нее. \(Q\) положителен для чистой передачи тепла в систему. \(W\) – это полная работа, выполненная системой. \(W\) положительна, когда система совершает больше работы, чем над ней. Изменение внутренней энергии системы \(\Delta U\) связано с выделением тепла и работой согласно первому закону термодинамики (уравнение \ref{first}).
ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ И ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ
Первый закон термодинамики на самом деле является законом сохранения энергии, сформулированным в форме, наиболее полезной в термодинамике. Первый закон устанавливает связь между теплопередачей, выполненной работой и изменением внутренней энергии системы.
Теплота
Q и Работа Вт
Теплопередача \(Q\) и выполнение работы \(Вт\) – это два повседневных способа подачи энергии в систему или отвода энергии из нее. Процессы совсем другие. Теплопередача, менее организованный процесс, обусловлена разницей температур. Работа, вполне организованный процесс, включает в себя действие макроскопической силы на расстоянии. Тем не менее, теплота и работа могут давать одинаковые результаты. Например, и то, и другое может вызвать повышение температуры. Передача тепла в систему, например, когда солнце нагревает воздух в велосипедной шине, может повысить его температуру, и, таким образом, над системой может совершаться работа, например, когда велосипедист накачивает воздух в шину. После того, как произошло повышение температуры, невозможно сказать, было ли оно вызвано теплопередачей или совершением работы. Эта неопределенность является важным моментом. Теплопередача и работа — это энергия в пути — ни одна из них не хранится как таковая в системе. Однако и то, и другое может изменить внутреннюю энергию \(U\) системы. Внутренняя энергия — это форма энергии, совершенно отличная от теплоты или работы.
Внутренняя энергия
U
Мы можем думать о внутренней энергии системы двумя разными, но непротиворечивыми способами. Первый — это атомно-молекулярный взгляд, который исследует систему в атомном и молекулярном масштабе. внутренняя энергия \(U\) системы есть сумма кинетической и потенциальной энергий ее атомов и молекул. Напомним, что кинетическая плюс потенциальная энергия называется механической энергией. Таким образом, внутренняя энергия представляет собой сумму атомной и молекулярной механической энергии. Поскольку невозможно уследить за всеми отдельными атомами и молекулами, мы должны иметь дело со средними значениями и распределениями. Второй способ представления внутренней энергии системы — ее макроскопические характеристики, которые очень похожи на средние атомные и молекулярные значения.
Макроскопически мы определяем изменение внутренней энергии \(\Delta U\) как соответствующее первому закону термодинамики (уравнение \ref{first}): \[\Delta U = Q – W \nonumber\]
Многие детальные эксперименты подтвердили, что \(\Delta U = Q – W\), где \(\Delta U\) — изменение полной кинетической и потенциальной энергии всех атомов и молекул в системе. Экспериментально установлено также, что внутренняя энергия \(U\) системы зависит только от состояния системы и не как дошло до этого состояния . В частности, установлено, что \(U\) является функцией нескольких макроскопических величин (например, давления, объема и температуры), не зависящих от прошлой истории, например, от того, происходил ли теплообмен или совершалась работа. Эта независимость означает, что если мы знаем состояние системы, мы можем вычислить изменения ее внутренней энергии \(U\) по нескольким макроскопическим переменным.
МАКРОСКОПИЧЕСКОЕ и МИКРОСКОПИЧЕСКОЕ
В термодинамике мы часто используем макроскопическую картину при расчетах поведения системы, в то время как атомарная и молекулярная картина дает основные объяснения в терминах средних значений и распределений. Мы еще увидим это в следующих разделах этой главы. Например, в теме энтропии расчеты будут производиться с использованием атомарно-молекулярного представления.
Чтобы получить лучшее представление о внутренней энергии системы, давайте рассмотрим систему, переходящую из состояния 1 в состояние 2. Система имеет внутреннюю энергию \(U_1\) в состоянии 1, и у нее есть внутренняя энергия энергия \(U_2\) в состоянии 2, независимо от того, как она попала в любое состояние. Таким образом, изменение внутренней энергии
\[\Delta U = U_2 – U_1\]
не зависит от того, что вызвало это изменение. Другими словами, \(\delta U\) не зависит от пути . Под путем мы подразумеваем способ добраться из начальной точки в конечную. Почему важна эта независимость? И \(Q\), и \(W\) зависит от пути , но \(\Delta U\) не зависит (уравнение \ref{first}). Эта независимость от пути означает, что внутреннюю энергию \(U\) легче учитывать, чем теплопередачу или выполненную работу.
Пример \(\PageIndex{1}\): расчет изменения внутренней энергии – одно и то же изменение \(U\) вызывается двумя различными процессами
Предположим, что системе передается тепло 40,00 Дж, система совершает работу 10,00 Дж. Затем из системы передается 25,00 Дж тепла, а над системой совершается работа 4,00 Дж. Каково чистое изменение внутренней энергии системы?
Как изменится внутренняя энергия системы, если из (из) системы будет передано 150,00 Дж теплоты и над системой будет совершено 159,00 Дж работы (рисунок \(\PageIndex{3}\)) ?
Рисунок \(\PageIndex{3}\): Два разных процесса производят одно и то же изменение в системе. а) Всего в систему передается 15,00 Дж теплоты, а работа совершает всего 6,00 Дж. Изменение внутренней энергии равно \(\дельта U = Q – W = 9,00 \, Дж\). (b) Теплопередача удаляет из системы 150,00 Дж, а работа прибавляет 159 Дж.0,00 Дж в него, производя увеличение внутренней энергии на 9,00 Дж. Если система начинается в одном и том же состоянии в (а) и (б), она в конечном итоге окажется в одном и том же конечном состоянии в любом случае — ее конечное состояние связано с внутренней энергией, а не с тем, как эта энергия была приобретена.
Стратегия
В части (a) мы должны сначала найти чистую теплопередачу и чистую работу на основе данной информации. Затем первый закон термодинамики (уравнение \ref{first}).
можно использовать для определения изменения внутренней энергии. В части (b) даны чистая теплопередача и проделанная работа, поэтому уравнение можно использовать напрямую.
Решение для (a)
Чистая теплопередача – это теплопередача в систему за вычетом теплопередачи из системы, или
\[ \begin{align*} Q &= 40.00 \, J – 25.00 \, J \\[5pt] &= 15.00 \, J \end{align*}\]
Аналогично, общая работа равна работе, выполненной системой, за вычетом работы, выполненной системой, или
\[ \begin{align*} W &= 10.00 \, J – 4.00 \, J \\[5pt] &= 6.00 \, J. \end{align*}\]
Обсуждение (а)
Независимо от того, смотрите ли вы на общий процесс или разбиваете его на этапы, изменение внутренней энергии одинаково.
Решение для (b)
Здесь чистая теплопередача и полная работа непосредственно равны \(Q = -150,00 \, Дж\) и \(W = -159,00 \, Дж\), так что
\[ \begin{align*} \Delta U &= Q – W = -150. 00 – (-159.00) \\[5pt] &= 9.00 \, J. \end{align*}\]
Обсуждение на (b)
Совершенно другой процесс в части (b) дает те же 9Изменение внутренней энергии на 0,00 Дж, как в части (а). Обратите внимание, что изменение в системе в обеих частях связано с \(\Дельта U\), а не с отдельными задействованными \(Q\) или \(W\). Система заканчивается в том же состоянии как в (a), так и в (b). Части (а) и (б) представляют два разных пути, по которым система должна следовать между одними и теми же начальной и конечной точками, и изменение внутренней энергии для каждого одинаково — оно не зависит от пути.
Метаболизм человека и первый закон термодинамики
Метаболизм человека — это преобразование пищи в теплопередачу, работу и накопление жира. Метаболизм — интересный пример действия первого закона термодинамики. Теперь мы еще раз взглянем на эти темы через первый закон термодинамики. Рассматривая тело как интересующую нас систему, мы можем использовать первый закон для изучения теплопередачи, выполнения работы и внутренней энергии в различных видах деятельности, от сна до тяжелых упражнений. Каковы некоторые из основных характеристик теплообмена, совершения работы и энергии в организме? Во-первых, температура тела обычно поддерживается постоянной за счет передачи тепла в окружающую среду. Это означает, что \(Q\) отрицательно. Другой факт заключается в том, что тело обычно воздействует на внешний мир. Это означает, что \(W\) положительно. В таких ситуациях тело теряет внутреннюю энергию, так как \(\Delta U = Q – W\) отрицательна.
Теперь рассмотрим последствия еды. Прием пищи увеличивает внутреннюю энергию тела за счет добавления химической потенциальной энергии (это неромантичный взгляд на хороший стейк). Тело усваивает всю пищу, которую мы потребляем. По сути, метаболизм представляет собой процесс окисления, в котором высвобождается химическая потенциальная энергия пищи. Это означает, что потребление пищи осуществляется в форме работы. Энергия пищи сообщается в специальной единице, известной как калория. Эта энергия измеряется путем сжигания пищи в калориметре, так определяются единицы измерения.
В химии и биохимии одна калория ( в нижнем регистре пишется как с) определяется как энергия (или теплопередача), необходимая для повышения температуры одного грамма чистой воды на один градус Цельсия. Диетологи и люди, следящие за весом, обычно используют диетических калорий, которые часто называют калориями (пишется с большой буквы C). Одна пищевая калория — это энергия, необходимая для повышения температуры одного килограмма воды на один градус Цельсия. Это означает, что для химика одна диетическая калория равна одной килокалории, и нужно быть осторожным, чтобы не путать их.
Опять же, рассмотрим внутреннюю энергию, потерянную телом. Эта внутренняя энергия может быть использована в трех направлениях: для теплопередачи, для выполнения работы и для накопления жира (крошечная часть также идет на восстановление и рост клеток). Теплообмен и совершение работы забирают внутреннюю энергию из организма, а пища возвращает ее. Если вы едите только нужное количество пищи, то ваша средняя внутренняя энергия остается постоянной. Все, что вы теряете при теплопередаче и выполнении работы, заменяется пищей, так что в долгосрочной перспективе \(\Delta U = 0\). Если вы постоянно переедаете, то \(\Дельта U\) всегда положительна, и ваше тело откладывает эту дополнительную внутреннюю энергию в виде жира. Обратное верно, если вы едите слишком мало. Если значение \(\Delta U\) отрицательное в течение нескольких дней, то организм метаболизирует собственный жир для поддержания температуры тела и выполнения работы, требующей энергии от тела. Этот процесс заключается в том, как диета приводит к потере веса.
Жизнь не всегда так проста, как знает каждый, кто сидит на диете. Организм накапливает жир или усваивает его, только если потребление энергии изменяется в течение нескольких дней. После того, как вы сели на основную диету, следующая будет менее успешной, потому что ваше тело меняет реакцию на низкое потребление энергии. Ваш основной уровень метаболизма (BMR) — это скорость, с которой пища преобразуется в теплопередачу и совершается работа, когда тело находится в полном покое. Организм регулирует скорость основного обмена, чтобы частично компенсировать переедание или недоедание. Тело снизит скорость метаболизма, а не устранит собственный жир, чтобы заменить потерянное потребление пищи. Вы будете легче остывать и чувствовать себя менее энергичным в результате более низкой скорости обмена веществ, и вы не будете терять вес так быстро, как раньше. Упражнения помогают похудеть, потому что они производят как теплопередачу от вашего тела, так и работу, а также повышают скорость метаболизма, даже когда вы находитесь в состоянии покоя. Снижению веса способствует также довольно низкая эффективность преобразования внутренней энергии тела в работу, так что потери внутренней энергии в результате выполнения работы намного больше, чем выполненная работа. Следует, однако, отметить, что живые системы не в тепловом равновесии.
Тело дает нам отличный показатель того, что многие термодинамические процессы являются необратимыми . Необратимый процесс может идти в одном направлении, но не в обратном, при заданном наборе условий. Например, хотя жировые отложения могут быть преобразованы для выполнения работы и передачи тепла, работа, совершаемая над телом, и перенос тепла в него не могут быть преобразованы в жировые отложения. В противном случае мы могли бы пропустить обед, загорая или спускаясь по лестнице. Другим примером необратимого термодинамического процесса является фотосинтез. Этот процесс представляет собой поглощение растениями одной формы энергии — света — и преобразование ее в химическую потенциальную энергию. Оба применения первого закона термодинамики проиллюстрированы на рисунке \(\PageIndex{4}\). Одним из больших преимуществ законов сохранения, таких как первый закон термодинамики, является то, что они точно описывают начальную и конечную точки сложных процессов, таких как метаболизм и фотосинтез, без учета промежуточных осложнений.
Рисунок \(\PageIndex{4}\): (a) Первый закон термодинамики в применении к метаболизму. Отводимая от тела теплота \(Q\) и работа, совершаемая телом \(W\), забирают внутреннюю энергию, а прием пищи замещает ее. (Прием пищи можно рассматривать как работу, совершаемую телом.) (b) Растения преобразуют часть лучистой теплопередачи при солнечном свете в накопленную химическую энергию. Этот процесс называется фотосинтезом.
Резюме
В таблице представлены термины, относящиеся к первому закону термодинамики.
Срок Определение
\(У\) Внутренняя энергия — сумма кинетической и потенциальной энергий атомов и молекул системы. Можно разделить на множество подкатегорий, таких как тепловая и химическая энергия. Зависит только от состояния системы (например, от ее \(P\), \(V\) и \(T\), а не от того, как энергия поступила в систему. Изменение внутренней энергии не зависит от пути9.0183
\(Q\) Тепло — энергия, передаваемая из-за разницы температур. Характеризуется беспорядочным движением молекул. Сильно зависит от пути. Вход \(Q\) в систему положителен.
\(В\) Работа — энергия, передаваемая силой, движущейся на расстояние. Организованный, упорядоченный процесс. Зависит от пути. \(W\), совершаемая системой (либо против внешней силы, либо для увеличения объема системы), положительна.
Первый закон термодинамики записывается как \(\Delta U = Q – W\), где \(\Delta U\) – изменение внутренней энергии системы, \(Q\) – чистая теплопередача (сумма всей теплопередачи в систему и из системы), а \(W\) – чистая выполненная работа (сумма всей работы, выполненной системой или системой).
И \(Q\), и \(W\) представляют собой транзитную энергию; только \(\Delta U\) представляет собой независимую величину, которую можно сохранить.
Внутренняя энергия \(U\) системы зависит только от состояния системы, а не от того, как она достигла этого состояния.
Обмен веществ живых организмов и фотосинтез растений являются специализированными видами теплообмена, совершения работы и внутренней энергии систем.
Глоссарий
первый закон термодинамики
утверждает, что изменение внутренней энергии системы равно чистому переносу тепла в система минус чистая работа, выполненная система
внутренняя энергия
сумма кинетической и потенциальной энергий атомов и молекул системы
метаболизм человека
преобразование пищи в теплопередачу, работу и накопленный жир
Эта страница под названием 15.1: Первый закон термодинамики распространяется под лицензией CC BY 4.0 и была создана, изменена и/или курирована OpenStax посредством исходного контента, который был отредактирован в соответствии со стилем и стандартами платформы LibreTexts; подробная история редактирования доступна по запросу.
Наверх
Была ли эта статья полезной?
Тип изделия
Раздел или Страница
Автор
ОпенСтакс
Лицензия
СС BY
Версия лицензии
4,0
Программа OER или Publisher
ОпенСтакс
Показать оглавление
нет
Теги
первый закон термодинамики
метаболизм человека
внутренняя энергия
источник@https://openstax.

Процесс	Константа	Уравнение
Изохорный	\[V=c o n s t\]	\[Q=U\left(T_{2}\right)-U\left(T_{1}\right)\]
Изобарный	\[p=\text { const }\]	\[Q=\Delta U+p \Delta V\]
Изотермический	\[T=c o n s t\]	\[Q=A\]
Адиабатный	\[Q=c o n s t\]	\[A=-\Delta U\]

Срок	Определение
\(Е\)	Внутренняя энергия — сумма кинетической и потенциальной энергий атомов и молекул системы. Можно разделить на множество подкатегорий, таких как тепловая и химическая энергия. Зависит только от состояния системы (например, от ее \(P\), \(V\) и \(T\), а не от того, как энергия поступила в систему. Изменение внутренней энергии не зависит от пути.
\(к\)	Тепло — энергия, передаваемая из-за разницы температур. Характеризуется беспорядочным движением молекул. Сильно зависит от пути. \(q\), входящий в систему, положителен.
\(ж\)	Работа — энергия, передаваемая силой, движущейся на расстояние. Организованный, упорядоченный процесс. Зависит от пути. \(w\), совершаемое системой (либо против внешней силы, либо для увеличения объема системы), положительно.

Срок	Определение
\(У\)	Внутренняя энергия — сумма кинетической и потенциальной энергий атомов и молекул системы. Можно разделить на множество подкатегорий, таких как тепловая и химическая энергия. Зависит только от состояния системы (например, от ее \(P\), \(V\) и \(T\), а не от того, как энергия поступила в систему. Изменение внутренней энергии не зависит от пути9.0183
\(Q\)	Тепло — энергия, передаваемая из-за разницы температур. Характеризуется беспорядочным движением молекул. Сильно зависит от пути. Вход \(Q\) в систему положителен.
\(В\)	Работа — энергия, передаваемая силой, движущейся на расстояние. Организованный, упорядоченный процесс. Зависит от пути. \(W\), совершаемая системой (либо против внешней силы, либо для увеличения объема системы), положительна.

Первый закон термодинамики

Основные понятия и определения термодинамики

Формы обмена энергией: теплота и работа

Формулировка первого закона термодинамики

Выводы

В чем заключается смысл первого закона термодинамики?

Формулировка первого закона термодинамики

\[\Delta U=Q-A\]

\[Q=\Delta U+A\]

\[Q=\Delta U=U\left(T_{2}\right)-U\left(T_{1}\right)\]

\[A=p\left(V_{2}-V_{1}\right)=p \Delta V\]

\[Q=U\left(T_{2}\right)-U\left(T_{1}\right)+p\left(V_{2}-V_{1}\right)=\Delta U+p \Delta V\]

\[Q=A\]

\[\gamma=\frac{C_{p}}{C_{V}}\]

\[A=C_{V}\left(T_{2}-T_{1}\right)\]

Процессы первого закона термодинамики

6.

Первый закон термодинамики

Теплота и Работа в Первом Законе

Резюме

Глоссарий

15.

Теплота

Внутренняя энергия

Метаболизм человека и первый закон термодинамики

Резюме

Глоссарий

Оставить комментарий Отменить ответ