Первый закон термодинамики формула: Первый закон термодинамики для изопроцессов

Содержание

Первый закон (начало) термодинамики | Физика. Закон, формула, лекция, шпаргалка, шпора, презентация, доклад, ГДЗ, решебник, конспект, кратко

Первый закон (начало) термодинамики, или закон сохранения энергии в тепловых процессах: количество теплоты, сообщённое си­стеме, расходуется на совершение работы системы против внешних сил и на увеличение её внутренней энергии: Q = ΔU + Aгде Q — количество теплоты, полученное системой; ΔU — изменение внутренней энергии системы; A — работа, совершённая системой.

Очевидно, что внутренняя энергия системы может быть изменена на одно и то же значение или при передаче ей некоторого количества теплоты, или при совершении работы без теплообмена. Это положение выражает принцип эквивалентности теплоты и работы. Работа и количество теплоты являются мерами изменения внутрен­ней энергии системы при разных процессах.

Из первого закона термодинамики следует вывод о том, что невоз­можно создать вечный двигатель. Действительно, если к системе не подводят энергию, то работа будет совершаться только за счёт вну­тренней энергии системы, которая со временем уменьшится и, в конце концов, станет равной нулю. Это означает, что рано или поздно двига­тель прекратит работу. Материал с сайта http://doklad-referat.ru

Все изменения в неживой природе, например испарение воды, кон­денсация пара и объединение капель в облака, выпадение дождя, об­разование ручьёв и рек и т. д., связаны с превращением энергии. Со­гласно важнейшему фундаментальному закону природы — первому началу термодинамики, — энергия не возникает из ничего и не исчеза­ет бесследно, а только превращается из одной формы в другую. Так, под действием солнечной энергии вода испаряется, а энергия падаю­щей воды на гидроэлектростанциях превращается в электрическую.

На этой странице материал по темам:
  • Первый закон термодинамики краткий конспект

Вопросы по этому материалу:
  • Сформулируйте первый закон термодинамики.

отмечаем день рождения Джеймса Джоуля с «МЭШ» / Новости города / Сайт Москвы

В библиотеке «Московской электронной школы» («МЭШ») размещены материалы, посвященные Джеймсу Джоулю. Ко дню рождения известного физика предлагается познакомиться с подборкой образовательных материалов.

Вспомнить, как работает закон сохранения и превращения энергии для термодинамической системы, познакомиться с принципами работы поршня и многое другое столичные школьники смогут, открыв

сценарий урока по физике для 10–11-х классов. Здесь представлена теория, подготовлены вопросы и видеофрагменты. Также все желающие после усвоения материала смогут выполнить домашнее задание.

Британский ученый Джеймс Джоуль и русский физик немецкого происхождения Эмилий Ленц практически в одно время доказывают, что количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени. Эту закономерность стали называть законом Джоуля — Ленца

. Повторить тему поможет одноименное интерактивное приложение.

Для существования электрического тока необходима среда, в которой существуют заряды, способные двигаться под действием внешнего поля. Как известно, самые лучшие проводники — металлы, ведь количество свободных электронов в них создает наиболее благоприятные условия для электрического тока. Однако не все тела и вещества могут его проводить. Вспомнить особенности проводников и диэлектриков поможет специальное приложение. 

Разработали приложение и для подготовки к ЕГЭ. Ребятам необходимо решить 15 задач, подобных заданию № 18 из экзамена по физике.

Джеймс Джоуль родился 24 декабря в 1818 году. Он открыл первый закон термодинамики, стал автором почти сотни научных работ, а еще в его честь названа единица измерения количества выделяемого тепла.

Как пользоваться Библиотекой «МЭШ»

«Московская электронная школа» — проект для учителей, учеников и их родителей, который помогает создать высокотехнологичную образовательную среду в школах столицы. Он разработан Департаментом образования и науки Москвы совместно с городским Департаментом информационных технологий. 

Библиотека «МЭШ» — это сервис проекта «Московская электронная школа», в котором размещен широкий спектр образовательных материалов: более 50 тысяч сценариев уроков и более восьми тысяч видеоуроков, свыше 1600 электронных учебных пособий, 348 учебников, свыше 130 тысяч образовательных интерактивных приложений, восемь уникальных виртуальных лабораторий, 245 произведений художественной литературы, а также огромное количество тестовых заданий, соответствующих содержанию ОГЭ и ЕГЭ, и многое другое.

В библиотеке «МЭШ» собрано более одного миллиона материалов Составлен рейтинг популярных сценариев уроков в «МЭШ»

Разработка урока физики для 8 класса по теме ” 1 закон термодинамики”

Изучение новой темы «Первый закон термодинамики».

(Г)  Прием «Радуга». 

 Новую тему учащиеся изучают самостоятельно в группах по учебнику.

Каждая группа получает свою часть текста:

1.      Первый закон термодинамики

2.      Работа пара и газа

3.      Первый закон термодинамики и вечный двигатель первого рода.

Должны прочитать текст, продумать, как, каким образом можно запомнить его и пересказать, составить по 2 вопроса, направленные на понимание сущности текста. Учащиеся могут записать опорные слова, начертить рисунки, схемы, формулы или кластеры. После работы с текстом группы перераспределяются таким образом, чтобы в каждой оказались представители всех трех групп. Каждый рассказывает свою часть текста, используя подготовленные в группе ресурсы для объяснения (опорные слова, формулы, таблицы или, схемы. или кластеры).  Объяснив и обсудив тему в группе, спикеры групп возвращаются на свои места.

Устная обратная связь учеников

2-3 ученика дают отзыв на то, как работали одноклассники в группе

(Г) Ответы на вопросы по изучаемому материалу.

Вопросы передаются каждой группой в соседнюю группу справа.  Группа отвечает на вопросы, пишет ответы и возвращает их.

Взаимооценивание группами «Две звезды, одно желание»

По ответам на вопросы группа оценивает знания группы.

(Г) Решение задач

Все три группы получают одинаковые задачи

А . Газ нагрели в закрытом сосуде, передав ему 150 кДж теплоты. Какую работу совершил газ? Как изменилась внутренняя энергия?

В. При передаче газу количества теплоты 19 кДж он совершает работу, равную 52 кДж. Чему равно изменение внутренней энергии газа?

С. 20г углекислого газа нагревают при постоянном объеме. Определите изменение внутренней энергии газа при нагревании от 200С до 1080С (с =655 Дж/(кг К)).

(Дифференциация: учитель наблюдает за работой группы дает рекомендации и оценку отдельных учащихся)

Дискрипторы:

1. Записывает условие задачи

2. переводит единицы измерения в СИ

3. записывает формулу 1 закона термодинамики

4. правильно выполняет вычисления

5. записывает ответ

Взаимооценивание «+, -, интересно» с помощью приема «Карусель»

(И). Таблица на соответствие

Для опрееделения степени усвоения нового материала учащимися учитель дает задание на заполнение таблицы на соответствие. Каждый учащийся получает задание на карточке. Стрелками показывает правильные ответы.

Из предложенных   формул выберете правильную математическую запись 1 закона термодинамики и соотнесите их с правильной формулировкой

 

Формула

Определение

1

Q= ΔU + A

Количество теплоты, переданное системе, идет на изменение его внутренней энергии и работе внешних сил

2

Q= ΔU+ A’

Количество теплоты, переданное системе, идет на изменение его внутренней энергии и на совершение им механической работы

3

ΔU= Q+ A’

Изменение внутренней энергии тела при переходе из одного состояния в другое равно сумме количества теплоты, переданного телу и на совершение им механической работы

4

ΔU= Q+ A’

Изменение внутренней энергии тела при переходе из одного состояния в другое равно сумме количества теплоты, переданного телу и работе внешних сил

Дескрипторы:

1.       Знает первую математическую запись первого закона термодинамики

2.      Знает первую формулировку первого закона термодинамики

3.      Умеет соотнести первую математическую запись первого закона термодинамики с его формулировкой

(П) взаимооценивание по дескрипторам.

Устная обратная связь учителя

Д/з: §13 

Творческое задание: написать реферат «История открытия первого закона термодинамики».

Термодинамика первый закон формулировка – Справочник химика 21

    Первый закон термодинамики. Первый закон имеет несколько различных формулировок. Его можно определить как закон сохранения энергии, из которого следует, что в любой изолированной системе, общий запас энергии сохраняется постоянным. Отсюда вытекает важная формулировка первого закона термодинамики. [c.149]
    Формулировки второго закона термодинамики. Второй закон термодинамики, как и первый, является постулатом, обоснованным большим опытом, накопленным человечеством. Он выражается разными, но по сути эквивалентными формулировками. В качестве одной из них принят постулат Клаузиуса (1850 г.) теплота не может пере- [c.90]

    Первый закон термодинамики является количественной формулировкой закона сохранения энергии в применении к процессам, связанным с превращениями теплоты и работы. [c.33]

    Формулировки второго закона термодинамики. Второй закон (начало, принцип) термодинамики, как и первый, был установлен как постулат, обоснованный опытным материалом, накопленным человечеством доказательством второго закона служит то, что свойства термодинамических систем не находятся в противоречии ни с ним самим, ни с каким-либо из следствий, строго вытекающих из него. Второй закон был изложен в работах Клаузиуса (1850) и В. Томсона (Кельвин) (1851). Можно дать разные формулировки второго закона, ио существу равноценные.[c.212]

    Формулировки первого закон термодинамики. [c.60]

    Полная же формулировка первого закона термодинамики должна быть такой  [c.54]

    Это уравнение представляет собой аналитическую формулировку первого закона термодинамики. Для изолированной системы, очевидно, другая формулировка первого закона термодинамики внутренняя энергия изолированной системы постоянна. [c.15]

    Как уже упоминалось, сущность термодинамического метода исследования состоит в использовании законов термодинамики, являющихся постулатами, установленными в результате обобщения большого числа опытных фактов. Одним из таких постулатов является первый закон термодинамики. Первый закон термодинамики является выражением в настоящее время всем хорошо известного закона сохранения и превращения энергии в применении к термодинамическим процессам. Остановимся на нескольких формулировках первого закона термодинамики. [c. 60]

    Б своей первоначальной формулировке второй закон термодинамики утверждает, что имеются некоторые мыслимые процессы, не противоречащие первому закону термодинамики, которые не могут происходить в природе. Так, например, невозможно, чтобы теплота самопроизвольно переходила от менее [c.233]

    Приведенные выше формулировки, связанные с уравнениями (I, 3) и (I, 5), являются различными эквивалентами одного и того же положения и служат формулировками первого закона термодинамики [в сочетании с уравнением (1, 2), дающим количественное определение внутренней энергии]. [c.32]


    Еще одна формулировка первого закона термодинамики может быть получена из выражения (I, 2а). В изолированной системе 8д=0 и 8Л=0 следовательно, при любых процессах, протекающих в изолированной системе  [c.33]

    Однако в пользу классического пути построения второго начала говорят следующие соображения. Метод и границы термодинамики приводят к неизбежности концентрировать внимание на взаимных превращениях теплоты и работы, как макроскопических форм передачи энергии. Сама математическая формулировка первого закона термодинамики связана с этим обстоятельством. Всякие попытки формулировать закономерность, которой следуют все наблюдаемые взаимные превращения теплоты и работы, естественно приводят к формулировкам Клаузиуса, В. Томсона или Планка. Ограничения возможности превращения теплоты в работу приводят к общим критериям направления процесса и условиям равновесия. [c.109]

    Другая формулировка первого закона термодинамики [c.15]

    Первый закон термодинамики является количественной формулировкой закона сохранения энергии в применении к процессам, связанным с превращениями теплоты и работы, и математически выражается уравнением [c.80]

    Остается еще вопрос, как сформулировать первый закон термодинамики в рамках приведенного расширения теории. По причинам, объясненным в 14, для открытой системы являются беспредметными как классическая точка зрения (эквивалентность теплоты и работы), так и точка зрения Каратеодори (определение теплоты). Можно, правда, сохранить обычную формулировку, если вновь независимо и произвольно определить подведенную теплоту. В нашем изложении такие рассуждения не представляют интереса. Тогда остается только высказывание, что внутренняя энер- [c.70]

    Формулировки первого закона термодинамики. Внутренняя энергия и энтальпия. В 1840—1849 гг. Джоуль впервые с помощью разнообразных и точных опытов установил эквивалентность механической работы и теплоты AIQ = J, где J — механический эквивалент теплоты — постоянная, не зависящая от способа и вида устройств для превращения работы А в теплоту Q . В дальнейшем было доказано постоянство отношений других видов работы к теплоте, введено обобщающее понятие энергии и сформулирован закон сохранения и эквивалентности энергии при всевозможных взаимных превращениях различных видов энергии переход одного вида энергии в другой совершается в строго эквивалентных количествах в изолированной системе сумма энергий есть величина постоянная. Первый закон термодинамики является законом сохранения энергии в применении к процессам, которые сопровождаются выделением, поглощением или преобразованием теплоты в работу. В химической термодинамике действие 1-го закона распространяется на ту универсальную форму энергии, которая называется внутренней энергией. [c.73]

    При формулировке первого закона термодинамики предполагается, что энергия может преобразовываться только в теплоту или работу. Однако принципиально энергия системы можег меняться также при изменении количества вещества при удалении вещества из системы оно уносит часть внутренней энергии этой системы, а при поступлении вещества в систему последняя получает дополнительное количество энергии. Системы, в которых возможно изменение количества вещества за счет его притока или выноса из системы, называют открытыми. Если такой процесс невозможен, систему называют замкнутой. Следует отличать еще изолированную систему, в которой невозможен обмен с внещней средой не только веществом, яо и энергией. В изолированных системах энергия всегда остается постоянной. Термодинамическое исследование открытых систем приобрело важное значение при переходе к живым организмам, которые находятся в обмене веществом с внешней средой. Эти системы также широко используются при моделировании непрерывных процессов в химической промышленности, где в химический реактор (систему реакторов) непрерывно поступают исходные вещества, а на выходе— конечные продукты. Теория открытых процессов (систем) достаточно хорошо разработана, поскольку исторически она возникла одновременно с термодинамикой необратимых процессов, однако при дальнейшем изложении теория открытых процессов не будет рассматриваться более глубоко. [c.220]

    Какие формулировки первого закона термодинамики вам известны  [c.34]

    В термодинамике применяется еще одна формулировка закона сохранения энергии и носящая название первого закона. Этот закон оперирует в первую очередь с количествами теплоты и работы, которые изучаемая система поглощает и совершает. Теплоту будем обозначать буквой Q, при этом +Q соответствует теплоте, поглощенной системой, — Q соответствует теплоте, выделенной системой символом 6Q обозначают элементарное количество теплоты . Следует обратить внимание на то, что в термохимии часто применяются обратные знаки, т, е. положительной считается выделяющаяся теплота. Представим [c.28]


    Сказанное выше, в том числе и формулу (И 1.5), можно рассматривать как формулировку второго закона. Исторический парадокс заключен в появлении этой формулировки раньше закона сохранения энергии и первого закона термодинамики. Дело в том, что Карно и Клапейрон придерживались теории теплорода, согласно которой теплота представляет собой особую невесомую жидкость — теплород, содержащуюся в телах в большем или меньшем количестве, — это и определяет температуру тела. В этом представлении, во-первых, содержался закон сохранения, так как жидкость считалась неуничтожимой. Во-вторых, работа могла совершаться теплородом только при перетекании его от более нагретого тела к менее нагретому, т, е, как бы от большего уровня к меньшему — аналогично перетеканию воды в сообщающихся сосудах. [c.68]

    Первая группа вопросов потребовала формулировки первого закона, а вторая группа — второго и третьего законов термодинамики. [c.11]

    Докажите, что следующие две формулировки первого закона термодинамики идентичны  [c.74]

    Формулировки первого закона термодинамики……….79 [c.387]

    Первый закон термодинамики яиляется следствием всеобщего закона сохранения материи и энергии. Закон сохранения энергии утверждает, что энергия не создается и не разрушается, а лишь прегращается из одной формы в другую. Из этого следует формулировка первого закона термодинамики  [c.15]

    Уравнение (1.17) было установлено экспериментально еще до открытия первого закона термодинамики, В 1840 г, Гесс на основании имевшихся в его распоряжении данных показал, что тепловом эффект химической реакции определяется только природой исходных и конечных продуктов, но не зависит от протекания промежуточных химических реакций, т, е, от способа перехода от одного состояния к другому. Сейчас ясно, что его формулировка не вполне точна и характер поправок ясен из уравнения (1.17). [c.32]

    Докажите, что следующие две формулировки первого закона термодинамики идентичны 1) увеличение внутренней энергии системы равно сообщенной системе теплоте за вычетом произведенной системой внешней работы 2) подведенная к системе теплота затрачивается на увеличение внутренней энергии системы и на совершение внешней работы. [c.81]

    Записанный в таком виде общий принцип сохранения энергии в термодинамическом процессе называется математическим выражением первого закона термодинамики, которому можно дать такую формулировку в термодинамическом процессе подведенная теплота в общем случае расходуется на изменение внутренней энергии и на совершение внешней работы. [c.46]

    III группа (кпроцессов расширения и сжатия, а также схемы их энергобалансов представлены на рис. 3.11 и 3.12. Анализ и формулировки первого закона термодинамики для этих процессов предлагается сделать читателю.[c.68]

    Формулировки первого закон термодинамики Теплота и работа [c.60]

    Из закона сохранения энергии вытекаег еще одна формулировка первого закона термодинамики —невозможность создания вечного двигателя (perpetuum mobile) первого рода, который производил бы работу, не затрачивая на это энергии. В раскрытии первого закона термодинамики как фундаментального закона природы сыграли большую роль работы Гесса (1840), Майера (1842), Джоуля (1847), Гельмгольца ( 847) и др. В частности, Джоуль обосновал первый закон термодинамики, исходя из опытов превращения механической энергии в теплоту. [c.191]

    Выражения (11.31) и (II.31а) показывают, что Qp и различаются на работу расширения, равную AnRT. Действительно, если процесс идет при V = onst, то вся теплота, направленная в систему, расходуется на приращение ее химической энергии (допускается, что в рассматриваемой системе единственно возможная работа—это работа расширения). Если тот же процесс проводится при Р — onst, то к приращению химической энергии добавляется еще и работа расширения системы, в результате чего расход теплоты увеличивается (см. Формулировку первого закона термодинамики, второй вариант). [c.70]

    Из первого закона термодинамики — энергия не возникает из ничего и не исчезает, а только превращается из одной формы в другую в эквивалентных количествах — вытекает закон Гесса (1840), который в современной формулировке гласит, что изменение энтальпии (при р=пост.) зависит только от вида и состояния исходных веществ и продуктов рвакции и не зависит от пути перехода. [c.124]

    Первый закон термодинамики формулируется по-разному. Одна формулировка выражается соотношением эквивалентности А = JQ Другая, частная формулировка, в качестве постулата, вытекающего из опыта, утверждает следующее в адиабатически изолированной си стеме при переходе из одного определенного состояния в другое опреде ленное состояние работа не зависит от того, как совершается процесс а зависит только от начального и конечного состояния системы, т. е Ai = Ai — Ад… = onst. Эта формулировка равноценна невозмож ности вечного двигателя 1-го рода, т. е. устройства, позволяющего получать положительную работу без какого-либо изменения в состояниях тел. [c.73]

    Очевидно эта формулировка непосредственно следует из первого закона термодинампки, так как в указанных двух случаях р или V постоянны) величины Qp и Qv совпадают с изменениями функций состояния Н я U. Интересно, однако, от.метить, что закон Гесса был открыт раньше, чем был ясно сформулирован и получил признание первый закон термодинамики. [c.26]

    Любое измеиенне энергин системы можно рассматривать через-изменение работы или теплоты, происходящее через се стенки теплота и работа являются едипственпыми путями пз.менения энергии закрытой системы. Следовательно, энергия изолированной системы постоянна. Это формулировка первого закона термодинамики. [c.63]


Презентация “Первый закон термодинамики”

Про матеріал

Представленная работа поможет ученикам старших классов изучить закон сохранения энергии, распространенный на тепловые явления — первый закон термодинамики, дает понятие адиабатического процесса. Изложение темы презентации в доступной форме. В завершение, автор предлагает ученикам ряд вопросов для закрепления материала.

Перегляд файлу

Зміст слайдів

Номер слайду 1

Номер слайду 2

Изучить закон сохранения энергии, распространённый на тепловые явления – первый закон термодинамики. Рассмотреть изопроцессы в газах с энергетической точки зрения, применив к ним первый закон термодинамики. Дать понятие адиабатического процесса. Цели

Номер слайду 3

Фронтальный опрос 1. Дать определение внутренней энергии. 2.Что называют количеством теплоты? Повторение 3 .Что называют вечным двигателем первого рода ?

Номер слайду 4

Содержание 1-ого закона термодинамики Применение 1-ого закона термодинамики к изопроцессам в газах Адиабатический процесс Необратимость процессов в природе План урока

Номер слайду 5

Обмен энергией между термодинамической системой и окружающими телами в результате теплообмена и совершаемой работы

Номер слайду 6

Изменение Δ U внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы A внешних сил и количества теплоты Q, переданного системе Первый закон термодинамики ΔU = Q + A

Номер слайду 7

Q = ΔU + A’ Количество теплоты, полученное системой, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы над внешними телами. Вторая запись первого закона термодинамики

Номер слайду 8

Виды изопроцессов

Номер слайду 9

ПРИМЕНИМ ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ К ИЗОПРОЦЕССАМ В ГАЗАХ. В изохорном процессе ( V = const ) Газ работы не совершает, А=0

Номер слайду 10

Здесь U (T1) и U (T2) – внутренние энергии газа в начальном и конечном состояниях. Q = ΔU = U (T2) – U (T1) Первый закон термодинамики для изохорного процесса

Номер слайду 11

ПРИМЕНИМ ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ К ИЗОПРОЦЕССАМ В ГАЗАХ. В изобарном процессе (p = const)

Номер слайду 12

Работа, совершаемая газом, выражается соотношением A = p (V2 – V1) = p ΔV p-давление V1,V2- объем в начальном и конечном состояниях соответственно

Номер слайду 13

ПРИМЕНИМ ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ К ИЗОПРОЦЕССАМ В ГАЗАХ. Первый закон термодинамики для изобарного процесса : Q = U (T2) – U (T1) + p (V2 – V1) = ΔU + p ΔV

Номер слайду 14

ПРИМЕНИМ ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ К ИЗОПРОЦЕССАМ В ГАЗАХ. В изотермическом процессе (T=const) следовательно, не изменяется и внутренняя энергия газа, Δ U = 0.

Номер слайду 15

Первый закон термодинамики для изотермического процесса выражается соотношением Количество теплоты Q, полученной газом в процессе изотермического расширения, превращается в работу над внешними телами.

Номер слайду 16

АДИАБАТИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС Модель. Адиабатический процесс

Номер слайду 17

В адиабатическом процессе Q = 0; поэтому первый закон термодинамики принимает вид газ совершает работу за счет убыли его внутренней энергии. A = –ΔU

Номер слайду 18

СЕМЕЙСТВА ИЗОТЕРМ (КРАСНЫЕ КРИВЫЕ) И АДИАБАТ (СИНИЕ КРИВЫЕ) ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА (A > 0) (Δ U 

Номер слайду 19

Работа газа в адиабатическом процессе просто выражается через температуры T 1 и T 2 начального и конечного состояний A = CV (T2 – T1)

Номер слайду 20

Расширение газа в пустоту В этом процессе Q = 0, т. к. нет теплообмена с окружающими телами, и A = 0, т.к. оболочка недеформируема. Из первого закона термодинамики следует: Δ U = 0, т. е. внутренняя энергия газа осталась неизменной.

Номер слайду 21

Δ U=A+Q Δ U=Q Δ U=Q-A’ Используя уравнение первого закона термодинамики,запишите формулу для расчета внутренней энергии в каждом случае. Закрепление материала Ответы:

Номер слайду 22

Ответы. Изобарный- изменяются параметры V,T Изотермический-изменяются параметры p,V Изохорный – A=0 Адиабатный -Q=0 Выберите правильный вариант ответа. Закрепление материала

Первый закон термодинамики

Первый закон термодинамики

Повторение 1) Определение внутренней энергии 2) От чего зависит внутренняя энергия? 3) Внутренняя энергия одноатомного идеального газа 4) Способы изменения внутренней энергии. 5) Виды теплопередачи 6) Формула работы газа, работы внешних сил. 7) Изопроцессы. Определения, закон.

1 закон термодинамики: 1. Изменение внутренней энергии системы при переходе её из одного состояние в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданной системе. или 2. Количество теплоты, переданное системе, идет на изменение её внутренней энергии и на совершение системой работы над внешними телами.

Применение 1 закона термодинамики к изопроцессам. Изохорный процесс Название График Запись Формулы Физический смысл процесса закона Изохор- Нагревание Внутренняя энергия ный Q>0, A=0 газа увеличивается за V=const P счет подводимого 2 Q тепла 1 V Охлаждение Внутренняя энергия Q

Изотермический процесс Название График Запись Формулы Физический смысл процесса закона Изотер- Расширение Всё переданное газу мический Q>0, Aг>0 тепло идет на T=const P совершение им же 1 Q работы. 2 V Сжатие При совершении Q

Изобарный процесс Название График Запись Формулы Физический процесса закона смысл Изобар- Расширение Всё переданное ный (нагревание) газу тепло идет р=const Q>0, Aг>0 на совершение им P Q же работы. 1 2 V Сжатие(Охлажде При совершении ние) работы внешними Q

Адиабатный процесс Название График Запись Формулы Физический смысл процесса закона Адиабатн Расширение Внутренняя энергия ый Q=0, Aг>0 уменьшается за счет Q=0 P того, что газ сам 1 совершает работу. Газ охлаждается 2 V Охлаждение Внутренняя энергия Q=0, Aг

Задача 1. При изотермическом расширении идеальным газом была совершена работа 15 к. Дж. Какое количество теплоты сообщено газу? Решение. При изотермическом процессе 1 закон термодинамики имеет вид: Q=Aг, т. е. газ совершает работу за счет сообщенного ему количества теплоты. Q=15 к. Дж. Задача 2. В закрытом баллоне находится газ. При охлаждении его внутренняя энергия уменьшилась на 500 к. Дж. Какое количество теплоты отдал газ? Совершил ли он работу? Решение: Газ находится в закрытом баллоне, следовательно, объем газа не изменяется. Данный процесс является изохорным охлаждением. Работа газа равна 0, т. к. изменение объема равно 0. Q=-500 к. Дж. (знак «-» показывает, что газ отдает тепло). Задача 3. Вычислить изменение внутренней энергии кислорода массой 0, 5 кг при изохорном нагревании на 15 К. Удельная теплоемкость кислорода при постоянном давлении равна 920 Дж/(кг*К).

Домашнее задание. § 57 -58 Задача 1. В цилиндре под поршнем находится 1, 25 кг воздуха. Для его нагревания на 4 К при постоянном давлении было затрачено 5 к. Дж теплоты. Определите изменение внутренней энергии воздуха. Молярная масса воздуха 0, 029 кг/моль. Задача 2. Вычислите количество теплоты отданное газом, если при изотермическом сжатии была совершена работа 200 Дж. Задача 3. Вычислите количество теплоты, полученное газом при нагревании его в закрытом сосуде, если внутренняя энергия газа увеличилась на 300 к. Дж.

Применение первого закона термодинамики к изопроцессам. Адиабатный процесс

Цель урока: Установить связь между изменениями внутренней энергии, работы и количеством теплоты для изопроцессов.

Задачи урока:

1) образовательные задачи:

  • углубление, обобщение и систематизация знаний по первому закону термодинамики;

  • применение полученных знаний при решении качественных и расчетных задач;

2) воспитательные задачи:

3) развивающие задачи:

  • развитие алгоритмического мышления, памяти, внимания;

  • развитие умения применять знания на практике;

  • развитие умений действовать самостоятельно;

Оборудование урока: компьютеры, мультимедийный проектор,

Ход урока

1. Орг. момент

Друзья мои! Я очень рад
Войти в приветливый ваш класс.
И для меня уже награда
Вниманье ваших умных глаз.
Я знаю: каждый в классе гений.
Но без труда талант не в прок.
Скрестите шпаги ваших мнений,
Мы вместе проведем урок!
Мои соавторы и судьи,
Оценкой Вас не накажу.
За странный слог не обессудьте,
А дальше прозой я скажу.

2. Постановка целей и задач урока

Дорогие ребята! Сегодня на уроке мы должны с вами установить связь между изменениями внутренней энергии работы и теплоты для изо процессов

3. Актуализация знаний

Для того чтобы мы могли перейти к успешному изучению нового материала. Для этого я вам опишу процесс, происходящий в нашем организме, а вы скажете по какому закону этот процесс происходит и сформулируете его.

Мы рассмотрим процесс вдоха и выдоха: при вдохе за счет работы межреберных мышц объем грудной клетки увеличивается, поэтому воздух поступает из атмосферы в легкие, затем вследствие расслабления мышц объем грудной клетки уменьшается- происходит выдох. (На экране появляются слайды с формулировками, формулами и графиками изопроцессов)

4. Повторение уравнений изопроцессов путем установления соответствия

Какое из приведенных ниже уравнений соответствует изотермическому процессу, изобарному процессу, изохорному процессу.

1)

2)

3)

P1V1 = P2V2

4)

5)

5. Работа со светофорчиком

А теперь прежде чем перейти к решению графических задач, поработаем со светофором.


Красный – изотермический процесс;
Желтый – изобарный процесс;
Зеленый – изохорный процесс.

6 Объяснение нового материала.

На прошлых уроках, изучая газовые законы, мы составили таблицу 1( рис.1) ( Приложение 1). Обратите внимание на 5 столбик этой таблицы, где приведено геометрическое истолкование работы для различных изопроцессов. Это пригодится сегодня нам для нашего урока.

Выведем формулы первого закона термодинамики для различных процессов.

1) Изотермическое сжатие

Для вывода 1 закона термодинамики воспользуемся интерактивной моделью изотермического сжатия ( рис.2) и графическим истолкованием работы для процесса ( рис.3)

рис. 2

рис.3

 

рис.4

Для изотермического процесса T- const, T=0, а значит U= 3/2 v RT=0 ( внутренняя энергия не изменяется). Над газом совершается работа А>0, а тепло выделяется Q<0.

Первый закон термодинамики U=A+Q выглядит так:

0 = -Q + A

Над газом совершается работа, при этом газ выделяет тепло во внешнюю среду ( внутренняя энергия не изменяется)

А блок –схема 1 закона для изотермического сжатия приведена на рис. 4

2) Изотермическое расширение

Для вывода 1 закона термодинамики воспользуемся интерактивной моделью изотермического расширения ( рис. 5) и графическим истолкованием работы для процесса( рис.6)

 

рис.5

рис.6

рис.7

Для изотермического процесса T- const, T=0, а значит U=0 ( внутренняя энергия не изменяется). Газ совершает работу А<0, а тепло поглощается (Q>0).

Первый закон термодинамики выглядит так:

Q = A

Газ совершает работу за счет поглощения тепла из внешней среды ( внутренняя энергия не изменяется)

Блок – схема первый закона термодинамики для изотермического сжатия представлена на рис. 7

3) Изобарное нагревание.

Воспользуемся интерактивной моделью и (пронаблюдаем изобарное нагревание) ( рис. 8) и графическим представлением работы ( рис. 9)

рис.8

рис.9

рис. 10

При изобарном нагревании температура увеличивается ( T>0 ), внутренняя энергия увеличивается (U>0), газ совершает работу , тепло поглощается.

Первый закон термодинамики выглядит так:

Q = U – A

Газ получает тепло из внешней среды. Полученная таким образом энергия тратится на увеличение внешней энергии и на совершение работы.

В итоге блок – схема первого закон термодинамики выглядит как на рис.10

4) Изобарное охлаждение

Пронаблюдав процесс изобарного охлаждения на интерактивной модели ( рис.11) и воспользовавшись рис.12 можем сделать вывод:

рис.11

рис.12

рис.13

при изобарном охлаждении температура уменьшается ( T<0 ), внутренняя энергия уменьшается ( U<0), над газом совершается работа , тепло выделяется.

Первый закон термодинамики выглядит так:

U = -Q + A

Над газом совершается работа, при этом газ выделяет тепло во внешнюю среду, а его внутренняя уменьшается .

Блок – схема для 1 закона термодинамики для этого случая представлен на рис. 13

5) Изохорное нагревание

Изохорное нагревание пронаблюдаем на интерактивной модели ( рис14) и воспользуемся графиком на рис 15. Вывод:

рис. 14

рис. 15

рис. 16

При изохорном нагревании ( T>0 ), внутренняя энергия увеличивается (U>0) , работа A=pV равна нулю, т.к. V=0, а тепло поглощается (Q>0).

Первый закон термодинамики выглядит так:

U=Q

Газ увеличивает свою внутреннюю энергию за счет теплоты, полученной из внешней среды.

Интерпретация 1 закона термодинамики для изохорного нагревания представлена на рис. 16

6) Изохорное охлаждение

Изохорное охлаждение пронаблюдаем на интерактивной модели ( рис17) и графиком на рис 18. Вывод:

 

рис. 17

рис. 18

рис. 19

При изохорном охлаждении ( T<0 ), внутренняя энергия уменьшается(U<0 , работа A=pV равна нулю, т.к. V=0, а тепло выделяется (Q<0).

Первый закон термодинамики выглядит так:

U=-Q

Газ выделяет тепло во внешнюю среду; при этом его внутренняя энергия уменьшается.

7) Адиабатное сжатие

Адиабатным называется процесс изменения объема и давления газа при отсутствии теплообмена с окружающими телами.

  • Примеры адиабатных процессов:

  • сжатие воздуха в воздушном огниве;

  • сжатие воздуха в дизеле;

Пронаблюдаем процесс адиабатное сжатие и построение адиабаты на интерактивной модели процесса. ( рис. 20 и рис.21)

рис. 20

рис. 21

рис. 22

 При адиабатном сжатии температура увеличивается( T>0 ), внутренняя энергия увеличивается (U>0), над газом совершается работа А>0, а количество теплоты равно нулю.

Первый закон термодинамики выглядит так:

U=A

Над газом совершается работа, при этом внутренняя энергия газа увеличивается.

8) Адиабатное расширение

Пронаблюдаем адиабатное расширение и построение адиабаты на интерактивной модели процесса. ( рис. 23 и рис. 24 )

рис. 23

рис.24

рис.25

При адиабатном расширении температура уменьшается ( T<0 ), внутренняя энергия уменьшается ( U<0), газ совершает работу ( А<0), а количество теплоты равно нулю.

Первый закон термодинамики выглядит так:

0= – U+A

Газ совершает работу только за счет своей внутренней энергии. ( Внутренняя энергия при этом уменьшается)

Мы познакомились с новым процессом – адиабатным, а для всех процессов записали первый закон термодинамики.

В результате у нас получилась таблица 2 (рис. 26)( Приложение 2)

7. Закрепление нового материала.

1. Как называется процесс, для которого первый за­кон термодинамики имеет вид: ΔU = Q ?

А. Изохорный.

Б. Изотермический.

В. Изобарный.

Г. Адиабатный.

2. В каком случае при передаче газу тепла его тем­пература может не измениться?

A. Если над газом совершают работу.

Б. Если газ совершает работу.

B. При передаче газу тепла он всегда нагревает­ся.

Г. При сжатии газа.

Д. Такое невозможно

3. Определите изменение внутренней энергии газа, если над ним совершается работа в 10 Дж и при этом он теряет 10 Дж количества теплоты.

A. -30 Дж. Б. -20 Дж.

B. -10 Дж. Г. 0 Дж.

Д. 10 Дж. Е. 20 Дж.

Ж. 30 Дж.

4.Что происходит с внутренней энергией идеально­го газа при переходе из состояния / в состояние 2 (рис. 3)?

A. Увеличивается

Б. Не изменяется.

B. Уменьшается.

5. Если количество теплоты, передаваемое газу, одинаково, то в каком случае он нагреется сильнее: при изобарном или при изохорном процессе?

A. При изобарном процессе.

Б. При изохорном процессе.

B. В обоих случаях температура не изменится.

Г. В обоих случаях температура изменится одинаково.

XI. Подведение итогов урока

Молодцы! Справились со всеми заданиями: дали ответы на тестовые задания.

XII. Рефлексия.

У Вас на столе лежат светофорчики. Если Вам урок понравился, было интересно – покажите на светофорчике зеленый цвет, если Вы остались равнодушными, Вам было неуютно – покажите желтый цвет, а если Вам не понравилось на уроке – красный цвет.

Д/З. § 5,7 , 5,8

  • Дополнить таблицу №2

  • Написать сообщения о проявлениях первого закона термодинамики в быту и природе.

  • Сделать сообщение о двигателях Дизеля.

Использованные материалы:

Технологическая карта учащегося

УЭ

Учебный элемент с указанием заданий

Руководство по усвоению учебного элемента

УЭ-0

Постановка целей:

  • Рассмотреть изопроцессы в газах с энергетической точки зрения, примененив к ним первый закон термодинамики.

  • Дать понятие адиабатического процесса.

 

УЭ-1

Входной контроль умений и навыков

Цель: актуализация знаний; определить уровень готовности к усвоению новой темы;  повторить основные понятия термодинамики.

Выполните самостоятельную работу Время выполнения 7 минут.

Проверьте правильность решения на экране.

1

2

3

4

5

Красный- изотермический процесс

Желтый -изобарный процесс

Зеленый- изохорный процесс

1 1 1

2 2 2

3 3 3

 

 

Работа учеников с учителем ( фронтальная беседа). За каждый правильный ответ получаете 1 балл.

 

 

 

 

Работу выполняете на листочке. самопроверка. За каждое правильное выполненное задание поставьте себе 1 балл в карточку учёта знаний.

УЭ-2

Изучение новой темы

Выписать основные формулы и выводы формул с графиками процессов стр10-35

Работа выполняется с учителем в флипчарте

Письменно в тетради!

УЭ-3

Закрепление знаний

1. Как называется процесс, для которого первый закон термодинамики имеет вид: ΔU = Q ?

А. Изохорный.

Б. Изотермический.

В. Изобарный.

Г. Адиабатный.

2. В каком случае при передаче газу тепла его температура может не измениться?

A. Если над газом совершают работу.

Б. Если газ совершает работу.

B. При передаче газу тепла он всегда нагревается.

Г. При сжатии газа.

Д. Такое невозможно

3. Определите изменение внутренней энергии газа, если над ним совершается работа в 10 Дж и при этом он теряет 10 Дж количества теплоты.

A. -30 Дж. Б. -20 Дж.

B. -10 Дж. Г. 0 Дж.

Д. 10 Дж. Е. 20 Дж.

Ж. 30 Дж.

4.Что происходит с внутренней энергией идеально­го газа при переходе из состояния / в состояние 2 (рис. 3)?

A. Увеличивается

Б. Не изменяется.

B. Уменьшается.

5. Если количество теплоты, передаваемое газу, одинаково, то в каком случае он нагреется сильнее: при изобарном или при изохорном процессе?

A. При изобарном процессе.

Б. При изохорном процессе.

B. В обоих случаях температура не изменится.

Г. В обоих случаях температура изменится одинаково.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Грамотно оформи  в тетради решение задачи  при затруднении обратись за помощью к учителю. соседу по парте

УЭ-4

Итог урока

Цель: выявить уровень усвоения модуля.

7.1. Ответьте на вопрос: достигли вы поставленный цели на уроке? Для этого вернитесь к началу модуля и прочитайте, какие цели стояли перед вами?

7.2. Выставите себе баллы:

3 баллов – всё понял и могу объяснить другому;
2 балла – всё понял, но объяснить не берусь;
1 балла – для полного понимания надо повторить;
0 баллов – я ничего не понял.

 

 

 

 

 

 

 

Используйте шкалу оценок

Первый закон термодинамики

Термодинамика – это раздел физики который имеет дело с энергией и работой системы. Термодинамика занимается только широкомасштабный ответ системы, которую мы можем наблюдать и измерить в опытах. Мелкомасштабные газовые взаимодействия описывается кинетической теорией газов. Есть три основных законы термодинамики, которые описаны на отдельных слайдах. Каждый Закон приводит к определению термодинамические свойства которые помогают нам понять и предсказать работу физического система.Приведем несколько простых примеров этих законов и свойства для различных физических систем, хотя нас больше всего интересует термодинамика двигательные установки а также потоки с высокой скоростью. К счастью, многие из классические примеры термодинамики включают газовую динамику.

По нашим наблюдениям за проделанной работой, или газом, мы нашли, что количество работ зависит не только на начальное и конечное состояния газа но также и в процессе или пути, который создает конечное состояние.Точно так же количество теплоты, переданное в или от газа также зависит от начального и конечного состояний и процесс , который производит конечное состояние. Многие наблюдения за реальным газах показали, что разница теплового потока в газ а работа, совершаемая газом, зависит только от начального и конечного состояния газа и зависит ли , а не от процесса или пути который производит конечное состояние. Это говорит о существовании дополнительная переменная, называемая внутренней энергией газа, которое зависит только от состояния газа, а не от какого-либо процесса.Внутренняя энергия является переменной состояния, точно так же, как температура или давление. Первый закон термодинамики определяет внутреннюю энергия (E) равна разнице теплопередачи (Q) в система и работа (W), выполненная за систему.

E2 – E1 = Q – W

Мы подчеркнули слова «в» и «по» в определении. Тепло, отводимое от системы в уравнении ставится отрицательный знак. Аналогично работают выполнено в системе присваивается отрицательный знак.

Внутренняя энергия — это такая же форма энергии, как и потенциальная. энергия объекта на некоторой высоте над землей, или кинетическая энергия движущегося объекта. Точно так же потенциальная энергия может быть преобразована в кинетическую энергию с сохранением полной энергии системы, внутренняя энергия термодинамической системы может быть преобразуется либо в кинетическую, либо в потенциальную энергию. Нравится потенциал энергия, внутренняя энергия может запасаться в системе. Обратите внимание, однако, что тепло и работа не может быть сохранена или сохранена независимо, поскольку они зависят на процессе. Первый закон термодинамики допускает многие Возможные состояния системы существуют, но только определенные состояния обнаружено существование в природе. То второй закон термодинамики помогает объяснить это наблюдение.

Если система полностью изолирована от внешней среды, возможно изменение состояния, при котором теплота не передается система. Ученые называют процесс, в котором не участвует тепло. перенос как адиабатический процесс. Реализация первого закона термодинамики для газов вводится еще один полезная переменная состояния, называемая энтальпией который описан на отдельной странице.


Виды деятельности:

Экскурсии с гидом

Навигация ..


Домашняя страница руководства для начинающих

3.3 Первый закон термодинамики – общая физика с использованием исчисления I

OpenStax и Паула Эррера-Сиклоди

К концу этого раздела вы сможете:

  • Назовите первый закон термодинамики и объясните, как он применяется
  • Объясните, как теплопередача, выполненная работа и изменение внутренней энергии связаны в любом термодинамическом процессе

Теперь, когда мы увидели, как рассчитать внутреннюю энергию, теплоту и работу, выполненную для термодинамической системы, претерпевающей изменения во время некоторого процесса, мы можем увидеть, как эти величины взаимодействуют, влияя на величину изменения, которое может произойти.Это взаимодействие определяется первым законом термодинамики. Британскому ученому и писателю С. П. Сноу (1905–1980) приписывают шутку о четырех законах термодинамики. Его шутливое утверждение о первом законе термодинамики гласит: «Вы не можете победить», или, другими словами, вы не можете получить из системы больше энергии, чем вкладываете в нее. В этой главе мы увидим, как внутренняя энергия, теплота и работа играют роль в первом законе термодинамики.

Предположим, что Q представляет собой теплообмен между системой и окружающей средой, а W представляет собой работу, выполненную системой или над ней.Первый закон гласит, что изменение внутренней энергии этой системы определяется выражением [латекс]Q-W[/латекс]. Поскольку добавленное тепло увеличивает внутреннюю энергию системы, Q положительно, когда оно добавляется к системе, и отрицательно, когда оно удаляется из системы.

Когда газ расширяется, он совершает работу, и его внутренняя энергия уменьшается. Таким образом, W положителен, когда работа совершается системой, и отрицателен, когда работа совершается над системой. Это условное обозначение сведено в Таблицу 3.1. первый закон термодинамики формулируется следующим образом:

С каждым состоянием равновесия системы связана ее внутренняя энергия [latex]E_\text{int}[/latex]. Изменение [latex]E_\text{int}[/latex] для любого перехода между двумя состояниями равновесия равно

.

[латекс]\начало{уравнение} \тег{3.7} \Delta E_\text{int} = QW \end{уравнение}[/латекс]

, где Q и W представляют, соответственно, теплообмен системы и работу, совершаемую системой или над ней.

Таблица 3.1 Термодинамические обозначения для теплоты и работы
Процесс Конвенция
Добавление тепла в систему [латекс]Q > 0[/латекс]
Отвод тепла из системы [латекс]Q
Работа, выполненная системой [латекс]W > 0[/латекс]
Работа над системой [латекс]W

Первый закон является утверждением сохранения энергии. Он говорит нам, что система может обмениваться энергией с окружающей средой путем передачи тепла и выполнения работы. Тогда чистая энергия обмена равна изменению полной механической энергии молекул системы (т. е. внутренней энергии системы). Таким образом, если система изолирована, ее внутренняя энергия должна оставаться постоянной.

Хотя Q и W оба зависят от термодинамического пути между двумя состояниями равновесия, их различие [латекс]Q-W[/латекс] не зависит.На рис. 3.7 показана диаграмма пВ системы, которая неоднократно совершает переход от А к В по различным термодинамическим путям. На пути 1 система поглощает теплоты Q 1 и совершает работу Вт 1 ; по пути 2 он поглощает теплоту Q 2 и совершает работу W 2 и т.д. Значения Q i и W i могут варьироваться от пути к пути, но у нас есть

[латекс]Q_1 – W_1 = Q_2 – W_2 = \cdots = Q_i – W_i = \cdots,[/латекс]

или

[латекс]\Delta E_\text{ent1} = \Delta E_\text{int2} = \cdots = \Delta E_{\text{int}i} = \cdots. [/латекс]

То есть изменение внутренней энергии системы между A и B не зависит от пути. В главе о потенциальной энергии и сохранении энергии мы столкнулись с другой величиной, не зависящей от пути: изменением потенциальной энергии между двумя произвольными точками пространства. Это изменение представляет собой отрицательную работу, выполненную консервативной силой между двумя точками. Потенциальная энергия является функцией пространственных координат, тогда как внутренняя энергия является функцией термодинамических переменных.Например, мы могли бы написать [latex]E_\text{int}(T,p)[/latex] для внутренней энергии. Такие функции, как внутренняя энергия и потенциальная энергия, известны как функции состояния , поскольку их значения зависят исключительно от состояния системы.

Рисунок 3.7 Различные термодинамические пути, по которым проходит система при переходе из состояния A в состояние B. Для всех переходов изменение внутренней энергии системы [latex]\Delta E_\text{int} = QW[/latex] то же самое.

Часто первый закон используется в его дифференциальной форме, то есть

[латекс]\начало{уравнение} \тег{3.8} dE_\text{int} = dQ – dW. \end{уравнение}[/латекс]

Здесь [latex]dE_\text{int}[/latex] — бесконечно малое изменение внутренней энергии, когда с системой обменивается бесконечно малым количеством теплоты dQ и совершается бесконечно малая работа dW (положительное в знаке) или на (отрицательный знак) в системе.

Изменения состояния и первый закон
В ходе термодинамического процесса система переходит из состояния А в состояние В, получает 400 Дж теплоты и совершает 100 Дж работы.\prime}_{AB} = 400 Дж[/latex] работы, выполненной в системе, сколько тепла она поглощает?

Стратегия
Первый закон термодинамики связывает изменение внутренней энергии, работу, совершаемую системой, и теплоту, передаваемую системе, простым уравнением. Внутренняя энергия является функцией состояния и, следовательно, фиксирована в любой данной точке, независимо от того, как система достигает этого состояния.

Раствор

а. Из первого закона изменение внутренней энергии системы равно

.

[латекс]\Delta E_{\text{int}AB} = Q_{AB} – W_{AB} = 400\text{J} – 100\text{J} =300\text{J}.[/латекс]

б. Рассмотрим замкнутый путь, проходящий через состояния A и B . Внутренняя энергия является функцией состояния, поэтому [latex]\Delta E_\text{int}[/latex] равно нулю для замкнутого пути. Таким образом,

[латекс]\Delta E_\text{int} = \Delta E_{\text{int}AB} + \Delta E_{\text{int}BA} = 0,[/latex]

и

[латекс]\Delta E_{\text{int}AB} = -\Delta_{\text{int}BA}.[/latex]

Это дает

[латекс]\Delta E_{\text{int}BA} = -300\text{J}.\prime}_{AB} – (-400J),\end{массив}[/latex]

и теплообмен

[латекс]Q\prime _{AB} = -100\текст{J}.[/латекс]

Знак минус указывает на то, что система теряет тепло при этом переходе.

Значение
Когда для первого закона термодинамики рассматривается замкнутый цикл, изменение внутренней энергии на всем пути равно нулю. Если бы в этом примере играло роль трение, то добавленная теплота произвела бы меньшую работу.В примере 3.3 рассматривается, что происходит, если играет роль трение.

Обратите внимание, что в примере 3.2 мы не предполагали, что переходы были квазистатическими. Это потому, что первый закон не подлежит такому ограничению. Он описывает переходы между состояниями равновесия, но не касается промежуточных состояний. Система не обязана проходить только через состояния равновесия. Например, если газ в стальном контейнере при определенной температуре и давлении взрывается с помощью искры, часть газа может сконденсироваться, различные молекулы газа могут объединяться, образуя новые соединения, и могут быть все своего рода турбулентность в контейнере, но в конце концов система придет в новое равновесное состояние.Эта система явно не находится в равновесии во время своего перехода; однако его поведение по-прежнему определяется первым законом, поскольку процесс начинается и заканчивается, когда система находится в состоянии равновесия.

Полировка фитинга
Слесарь полирует медный фитинг весом 0,50 кг куском наждачной бумаги в течение 2,0 мин. Он перемещает ткань по арматуре с постоянной скоростью 1,0 м/с, прикладывая силу 20 Н, касательную к поверхности арматуры.

(а) Какова общая работа, выполненная слесарем на арматуре?
(б) Каково увеличение внутренней энергии фитинга? Предположим, что изменение внутренней энергии ткани незначительно и что между арматурой и окружающей средой не происходит теплообмена.
(c) Каково повышение температуры фитинга?

Стратегия
Сила механика на расстоянии, которое можно рассчитать по заданным скорости и времени, представляет собой работу, выполненную над системой. Работа, в свою очередь, увеличивает внутреннюю энергию системы. Эту энергию можно интерпретировать как тепло, повышающее температуру системы за счет ее теплоемкости. Будьте осторожны со знаком каждой величины.

Раствор

а. \circ \text{C}[/латекс].

Значение
Если бы выделялось тепло, изменение внутренней энергии было бы меньше и вызвало бы меньшее изменение температуры, чем вычислено в задаче.

Приведенные ниже величины представляют четыре различных перехода между одним и тем же начальным и конечным состояниями. Заполнить бланки.

Таблица 3.2
Q (Дж) Ш (Дж) [латекс]\Delta E_\text{int}(\text{J})[/latex]
-80 -120
90
40
-40

Идеальный газ, совершающий переход между двумя состояниями
Рассмотрим квазистатическое расширение идеального газа между состояниями равновесия A и C на рис. 3.3[/латекс].

Стратегия
Разница в работе, проделанной между процессом ABC и процессом ADC , представляет собой площадь, ограниченную ABCD. Поскольку изменение внутренней энергии (функция состояния) одинаково для обоих процессов, разница в работе, таким образом, такая же, как разница в теплоте, переданной системе.

Решение
Для пути ABC добавленное тепло равно [латекс]Q_{ABC} = 515\text{Дж}[/латекс], а работа, выполненная газом, равна площади под путем на пВ Диаграмма , которая

[латекс]W_{ABC} = p_1(V_2 – V_1) = 473 \text{J}.[/латекс]

Вдоль ADC работа, совершаемая газом, снова равна площади под траекторией:

[латекс]W_{ADC} = p_2(V_2 – V_1)=236 \text{J}.[/latex]

Затем, используя только что описанную стратегию, мы имеем

[латекс]Q_{ADC} – Q_{ABC} = W_{ADC} – W_{ABC},[/latex]

что ведет к

[латекс]Q_{ADC} = Q_{ABC} + W_{ADC} – W_{ABC} = (515 + 236 −473)\text{J} = 278\text{J}.[/latex]

Значимость
Вычисление работы в этой задаче упрощается, поскольку работа не выполняется вдоль AD и BC и вдоль AB и DC ; давление остается постоянным при изменении объема, поэтому выполняемая работа равна просто [латекс]p\Delta V[/латекс]. Также можно было бы использовать изотермическую линию, так как мы получили работу для изотермического процесса как [латекс]W = nRT\text{ln}\frac{V_2}{V_1}[/latex].

Изотермическое расширение идеального газа
К 1 молю идеального одноатомного газа, находящегося в цилиндре с подвижным поршнем на одном конце, подводится тепло. Газ расширяется квазистатически при постоянной температуре 300 К, пока его объем не увеличится с В до .

а) Как изменится внутренняя энергия газа?
(б) Какую работу совершает газ?
в) Какое количество теплоты передано газу?

Стратегия

(а) Поскольку система представляет собой идеальный газ, внутренняя энергия изменяется только при изменении температуры.
(b) Таким образом, тепло, добавленное в систему, используется исключительно для выполнения работы, которая была рассчитана в разделе «Работа, теплота и внутренняя энергия».
(c) Наконец, первый закон термодинамики можно использовать для расчета теплоты, присоединенной к газу. 3[/латекс].

а) Какое количество теплоты необходимо добавить, чтобы испарить воду?
б) Какую работу совершает вода над атмосферой при своем расширении?
(в) Как изменилась внутренняя энергия воды?

Стратегия
Сначала мы можем выяснить, сколько тепла требуется от скрытой теплоты парообразования воды. Из изменения объема мы можем рассчитать работу, выполненную из [латекс]W = p\Delta V[/латекс], потому что давление постоянно. Тогда первый закон термодинамики дает нам изменение внутренней энергии.6\text{Дж/кг}[/латекс]. Как изменится внутренняя энергия аммиака при его испарении?

Просмотрите этот сайт, чтобы узнать о первом законе термодинамики. Сначала закачайте в камеру несколько молекул тяжелых частиц. Затем поэкспериментируйте, выполняя работу (толкая стену вправо, где находится человек), чтобы увидеть, как меняется внутренняя энергия (как видно по температуре). Затем посмотрите, как добавленное тепло изменяет внутреннюю энергию. Наконец, вы можете установить постоянный параметр, такой как температура, и посмотреть, что произойдет, когда вы будете работать, чтобы поддерживать постоянную температуру ( Примечание : вы можете увидеть изменение этих переменных сначала, если вы быстро перемещаетесь в моделировании, но в конечном итоге , это значение вернется к своему равновесному значению).

 

Напишите уравнение, выражающее первый закон термодинамики через теплоту и работу.

Механический эквивалент тепла

Механический эквивалент тепла, разработанный физиком Джеймсом Прескоттом Джоулем, утверждает, что количество движения генерирует такое же количество тепла. Исследуйте тепло, ранние исторические взгляды на тепло и связь между работой и теплом.

Применение первого закона термодинамики к реакциям и процессам

Термодинамика занимается отношениями тепла с другими видами энергии.Узнайте о применении первого закона термодинамики к реакциям и процессам. Повторите закон сохранения энергии, изучите определение энергии и рассмотрите преобразования между формами энергии, а также между энергией и материей.

Электрическое поле и движение заряда

Электрические поля и движение зарядов имеют два разных определения, и важно их не путать. Узнайте, что такое электрическое поле, узнайте, как оно связано с движением, и изучите основное уравнение электрического поля.

Второй закон термодинамики: энтропия и системы

Важно соблюдать все элементы, которые повлияли на теорию Большого взрыва и законы термодинамики.В частности, второй закон термодинамики касается энтропии и систем. Этот урок исследует этот закон термодинамики, включая его системы, последствия и практические приложения.

Примеры теплопередачи: проблемы и решения

Под теплопередачей понимается перемещение тепла от одной среды к другой. Откройте для себя тепловую энергию, изучите примеры теплопередачи и узнайте о распространенных проблемах теплопередачи и решениях.

Моделирование изменений состояния: тепло и энергия

Материя претерпевает фазовые переходы между жидкостью, твердым телом и газом, в результате чего также передаются энергия и тепло.Исследуйте влияние энергии и тепла на фазовые переходы, особенно на плавление, замерзание, испарение и конденсацию.

Ограничения законов Ньютона

Законы Ньютона описывают постоянство в отношениях различных сил в физике, но только в рамках определенных ограничений. Узнайте, как для превышения скорости света требуются немного другие уравнения, изложенные Эйнштейном.

Коэффициент сжимаемости газа

Коэффициент сжимаемости газа используется для оценки различий между поведением газа.Изучите характеристики идеальных и неидеальных или реальных газов и узнайте, как найти коэффициент сжимаемости газа, используя уравнение, где этот коэффициент представлен Z.

Абсолютный ноль: температура и определение

Абсолютный ноль относится к самому низкому температурному пределу, когда движение всех частиц почти полностью прекращается. Узнайте, как ученые определили эту концепцию с помощью экспериментов. Обзор экспериментов Галилея и других в истории теории.

Введение в теплофизику

Теплофизика анализирует тепло и температуру.Различают три основные области теплофизики: термодинамику, кинетическую теорию и статистическую механику.

Поляризация света и закон Малюса

Поляризация, по сути, отфильтровывает хаотические колебания световых волн для достижения более четкого и «полярного» восприятия света. Узнайте, как поляризуются очки, экраны и радиоприемники, и поймите закон Малюса, который рассчитывает, как приглушить свет для эффективной поляризации.

Термодинамика. Первый закон термодинамики

Первый закон термодинамики

Сохранение энергии

Этот звук означает, что пора приступать к работе.

(Источник)

Первый закон термодинамики гласит: «Не говори о термодинамике.” Дракончик. Думаю, урок окончен.

Шучу. Первый закон на самом деле говорит, что энергия не может просто так исчезнуть (или появиться из ниоткуда). Она сохраняется.

Там также говорится, что любая “система” мы наблюдаем, например, что воздушный шар с гелием, который мы носим с собой, содержит три разных типа энергии

  1. Внутренняя энергия, U : это энергия всех молекул, летающих в системе. Возьмем в качестве примера кастрюлю с горячей водой.Когда мы нагреваем воду, энергия молекул воды увеличивается, и они начинают двигаться быстрее. Мы только что узнали, как давление, объем и температура связаны со скоростью этих атомов. Кинетическая энергия молекул в сосуде называется внутренней энергией U системы.
  2. Тепло, Q : Затем у нас есть передача тепловой энергии. Это просто причудливый способ сказать, что если наши молекулы воды будут двигаться очень, очень быстро, температура воды повысится.Когда мы ставим кастрюлю на плиту, мы можем коснуться кастрюли. Поскольку молекулы воды начинают двигаться быстрее и температура воды повышается, мы все еще можем прикасаться к горшку, но это не рекомендуется. Злой горит много? Энергия передается от молекул воды в горшке к нашим рукам в виде тепла Q .
  3. Работа, W : Давайте уберем руки из этого котла с кипящей водой и накроем его крышкой. Чем сильнее вода закипает, тем больше воды претерпевает фазовый переход и испаряется, крышка кастрюли начинает дребезжать.Пар совершает работу, W : он поднимает крышку кастрюли.

Кастрюля с кипящей водой — хороший повседневный пример для объяснения внутренней энергии, тепла и работы. Однако это не лучший выбор для применения первого закона термодинамики, потому что кипящий котел не является закрытой системой . Из кастрюли с водой выходит пар, который нагревает всю кухню и конденсируется на кухонных окнах. Тепло может даже вытекать из стенок самой кастрюли.

Слишком много вещей может сделать вода в нашей кипящей водяной системе, чтобы считать систему «закрытой».” Энергия по-прежнему сохраняется, но вам понадобится очень причудливое уравнение, чтобы объяснить эту большую лужу на подоконнике.

Приступайте к работе

Вместо этого мы рассмотрим более простую систему, такую ​​как замкнутый идеальный газ. Отличный пример: наш верный старый воздушный шар с гелием. Для замкнутого идеального газа первый закон термодинамики гласит, что Δ U = Q + W . Можем ли мы повторить это на английском языке?

Изменение внутренней энергии системы, Δ U , или изменение скорости движения молекул в нашем гелиевом шаре, зависит от того, сколько энергии передается в виде механической работы, Вт , и в виде тепла, Q . Ну вот мы идем.

Внимание! Первый закон уравнения термодинамики иногда записывают с разными знаками. Все зависит от условного знака (положительного или отрицательного) для работы, W . В приведенном выше уравнении тепло, Q , и работа, W , обозначаются как положительные, когда в систему вкладывается энергия. Когда мы сжимаем наш воздушный шар с гелием и нагреваем его, тогда как Q , так и W положительны. Измените условность, и нам также нужно поменять местами знаки.

Так как же рассчитать, сколько работы совершает наша система, гелиевый шар? Табель учета рабочего времени после каждой смены точно не заполняет, это точно. Вместо этого объем работы зависит от того, насколько мы сжимаем баллон (что повышает давление, P ) и насколько мы меняем объем баллона, Δ V . Вот уравнение.

W = – P Δ V

Работа, которую мы совершаем над воздушным шаром, или сколько энергии мы должны приложить для его сжатия, зависит от того, насколько сильно мы хотим его сжать и от того, как сильно меняется громкость. Допустим, мы хотим сжать воздушный шар, пока он не станет вдвое меньше, чем раньше. (Что мы можем сказать, мы в настроении, похожем на Халка). Это потребовало бы гораздо меньшего давления, если бы воздушный шар находился на седьмом дне своего падения после вечеринки по случаю дня рождения. Таким образом, общий объем работы, который мы выполняем, различается в двух сценариях, даже несмотря на то, что мы каждый раз сокращаем объем вдвое. Мы должны взять разницу в объеме, а не отношение объемов, для уравнения работы.

Когда мы собираемся сжать воздушный шар, сначала это довольно просто. Однако чем меньше становится воздушный шар, тем труднее его сжать еще больше. На самом деле это не сложно, но все же. Объем работы, которую мы должны выполнить, меняется по мере того, как мы сжимаем его дальше. Это как в школе: чем дальше в году мы продвигаемся, тем больше нарастает давление, пока мы не пытаемся зубрить пять выпускных экзаменов в последнюю секунду.

Нарисуй картинку; Это будет работать дольше

Чтобы учесть все эти изменения давления и объема, мы рисуем PV диаграммы, подобные этой.

Когда мы сжимаем баллон с объемом V A до V B , давление меняется. Объем выполненной работы W равен площади под кривой PV . Если у вас еще нет навыков исчисления, найти такую ​​область будет непросто, так что пока мы просто обойдем этот вопрос.

Итак, какая работа совершается при изменении давления газа без изменения его объема? Настало время Пикассо — давайте нарисуем график PV для этого сценария.

Площадь под этой кривой PV равна нулю – здесь работа не выполняется. Это бесполезно. Ну для работы.

Последний пример: как вы думаете, в каком случае мы делаем больше работы?

Площадь под второй диаграммой PV намного больше, что позволяет предположить, что для достижения большего объема при постоянном давлении требуется гораздо больше работы. Для работы под постоянным давлением вроде этого есть специальное название: изобарический.

Когда давление остается постоянным, мы имеем изобарический процесс .Это упрощает наши расчеты, потому что мы можем применить первый закон термодинамики без каких-либо расчетов, просто W = – P Δ V и Δ U = W + В .

Процесс в первом рассмотренном нами примере с постоянным объемом при изменении давления в газе называется изоволюметрическим или изохорным процессом . Теперь дайте нам секунду, чтобы развязать наш язык.

Хорошо. Мы уже определили, что W = 0 в таком процессе экономии объема, поэтому Δ U = W + Q упрощается до Δ U = Q .

Мы также можем изменять объем газа, сохраняя при этом постоянную температуру. Это изотермический процесс (не путать с термобельем). Поскольку температура отражает внутреннюю энергию газа или скорость движения молекул газа, Δ U = 0. В этом случае Δ U = W + Q упрощается до W = – Q .

Вся работа, выполняемая в системе этого типа, передается в тепло, Q . Расчет объема работы для этого случая требует более сложного уравнения, чем для других. Это , где n — количество молей газа, R — газовая постоянная, T — температура, V — объем. Тем не менее, он оставил верхнюю часть горячей и монокль дома.

Наконец, процесс может быть адиабатическим . В этом случае теплообмен между газом и окружающей средой отсутствует (а значит, установлена ​​противооткатная изоляция), поэтому Q = 0 и Δ U = Вт + Q , что упрощается до Δ U = Вт . Мило, мило. Затем мы можем определить саму работу по . Опять же, это для адиабатических процессов только . Попробуйте использовать это уравнение для диабатического процесса, и он вызовет диабатический шок.

Распространенные ошибки

Первый закон термодинамики можно записать двумя способами. То, как мы это записали, Δ U = W + Q , следует соглашению о знаках, где работа, выполненная системой, равна минус . В некоторых учебниках первый закон записывается как Δ U = Q W . В этом случае работа, выполненная системой, равна положительной .

В обоих случаях теплота Q положительна, когда она поступает в систему, и отрицательна, когда выходит из системы. Обязательно приложите усилия, чтобы знать, какую работу вы выполняете, иначе вам придется работать сверхурочно, чтобы исправить свои ошибки.

2.3 Первый закон термодинамики

2.3 Первый закон термодинамики

Погода включает нагревание и похолодание, восходящие потоки воздуха и падающие дожди, грозы и снег, заморозки и оттепели. Вся эта погода возникает в соответствии с тремя законами термодинамики.Первый закон термодинамики говорит нам, как учитывать энергию в любой молекулярной системе, включая атмосферу. Как мы увидим, понятие температуры тесно связано с понятием энергии, а именно тепловой энергии, но они не совпадают, поскольку существуют другие формы энергии, которые можно обменивать с тепловой энергией, такие как механическая энергия или электрическая энергия. . Каждая частица воздуха содержит молекулы, обладающие внутренней энергией, которая, если рассматривать атмосферу, представляет собой просто кинетическую энергию молекул (связанную с молекулярным вращением и, в некоторых случаях, вибрациями) и потенциальную энергию молекул (связанную с притяжением). силы отталкивания между молекулами).Внутренняя энергия не учитывает ни их химических связей, ни ядерной энергии ядра, потому что они не меняются при столкновениях между молекулами воздуха. Выполнение работы с авиапосылкой предполагает либо ее расширение за счет увеличения ее объема, либо ее сжатие. В атмосфере, как и в любой системе молекул, энергия не создается и не уничтожается, а сохраняется. Нам просто нужно следить за тем, откуда приходит энергия и куда она уходит.

Плавающие молекулы

Кредит: Ивана Василь через flickr

Пусть U будет внутренней энергией воздушного пакета, Q будет скоростью нагревания этого воздушного пакета, а W будет скоростью работы, совершаемой над воздушным пакетом.Тогда:

dUdt=Q+WЭто уравнение отображается неправильно из-за несовместимого браузера. Список совместимых браузеров см. в разделе «Технические требования» в руководстве.

[2.21]

Размерности энергии равны ML 2 T –2 , поэтому размерности этого уравнения равны ML 2 T –3 .

Чтобы придать больше смысла этому уравнению баланса энергии, нам нужно связать U, Q и W с переменными, которые мы можем измерить.Как только мы это сделаем, мы сможем заставить это уравнение работать. Для этого воспользуемся законом идеального газа.

Для процессов, подобных тем, что происходят в атмосфере, мы можем связать работу, W , с изменением объема, потому что работа — это сила, умноженная на расстояние. Представьте себе цилиндр с газом в нем. Площадь поперечного сечения поршня A . Если поршень сжимает газ, перемещаясь на расстояние dx , количество работы, совершаемой поршнем над газом, равно силе ( пА ), умноженной на расстояние ( dx ). W тогда pAdx / dt . А вот изменение громкости просто — Adx / dt и так:

W=−pdVdtЭто уравнение отображается неправильно из-за несовместимого браузера. Список совместимых браузеров см. в разделе «Технические требования» в руководстве.

[2,22]

Уменьшение объема газа ( dV/dt < 0) требует энергии, поэтому работа с воздушной посылкой положительна при уменьшении объема, или dV/dt < 0.Таким образом:

dUdt=Q-pdVdtЭто уравнение не отображается должным образом из-за несовместимого браузера. Список совместимых браузеров см. в разделе «Технические требования» в руководстве.

[2.23]

Теплоемкость

Теплоемкость C – это количество энергии, необходимое для повышения температуры вещества на определенную величину. Таким образом, C=QdTdt и имеет единицы СИ Дж/К. C зависит от самого вещества, массы вещества и условий, при которых добавляется энергия.Рассмотрим два особых условия: постоянный объем и постоянное давление.

Теплоемкость при постоянном объеме

Рассмотрим коробку с жесткими стенками и, следовательно, с постоянным объемом: dVdT=0 . Никакая работа не совершается, и в результате нагревания может измениться только внутренняя энергия.

Обогрев бокса с жесткими стенками.

Авторы и права: В. Брюн, по Верлинде

Свеча снабжает ящик энергией, поэтому Q > 0 и dU / dt > 0.Внутренняя энергия может увеличиваться за счет увеличения молекулярной кинетической и потенциальной энергии. Однако для идеального газа силами притяжения и отталкивания между молекулами (и, следовательно, потенциальной энергией молекул) можно пренебречь. Таким образом, молекулярная кинетическая энергия и, следовательно, температура должны увеличиться:

dTdt>0Это уравнение отображается неправильно из-за несовместимого браузера. Список совместимых браузеров см. в разделе «Технические требования» в руководстве.

[2.24]

Итак,

Qconstvolume=dUdt=CVdTdtЭто уравнение отображается неправильно из-за несовместимого браузера. Список совместимых браузеров см. в разделе «Технические требования» в руководстве.

[2,25]

C V , постоянная, относящая Q к изменению температуры, называется теплоемкостью при постоянном объеме . Теплоемкость имеет единицы Дж К -1 .

Помните, что CvdTdt — это изменение внутренней энергии воздушной посылки.

Теплоемкость, C V , зависит от массы и типа материала. Таким образом, мы можем записать C V как:

CV=mass⋅cVЭто уравнение отображается неправильно из-за несовместимого браузера. Список совместимых браузеров см. в разделе «Технические требования» в руководстве.

[2,26]

где c V называется удельной теплоемкостью. Прилагательное «конкретный» означает количество чего-либо на единицу массы. Чем больше теплоемкость, тем меньше изменение температуры при данном количестве нагрева .

Некоторые значения удельной теплоемкости приведены в таблице ниже:

Значения удельной теплоемкости
газ c В (@ 0 o C) Дж кг –1 K –1
сухой воздух 718
водяной пар 1390
двуокись углерода 820

Решите самостоятельно следующую задачу. Получив собственный ответ, нажмите на ссылку, чтобы проверить свою работу.

Проверьте свое понимание

Рассмотрим герметичный свод с внутренним объемом 10 м 3 , заполненный сухим воздухом ( p = 1013 гПа; T = 273 К). Если свод постоянно нагревается снаружи со скоростью 1 кВт (1000 Дж с –1 ), за какое время температура поднимется на 30 o °С?

Нажмите, чтобы ответить.

Закон 1 st можно переписать как:

Q=dUdt+pdVdt=CVdTdt+pdVdt=mass⋅cVdTdt+pdVdtЭто уравнение отображается неправильно из-за несовместимого браузера. Список совместимых браузеров см. в разделе «Технические требования» в руководстве.

[2,27]

Однако dV/dt = 0, поскольку объем хранилища не меняется. Итак, мы можем использовать уравнение, изменить его и проинтегрировать:

Q=mass⋅cVdTdtЭто уравнение не отображается должным образом из-за несовместимого браузера. Список совместимых браузеров см. в разделе «Технические требования» в руководстве.

[2,28]

Как найти массу воздуха внутри хранилища? Используйте закон идеального газа, чтобы найти количество молей, а затем умножьте на массу на моль!

масса=Mdryair⋅N=Mdryair⋅pVR*T=0,029⋅1,013×105⋅108,314⋅273=12,9 кг Это уравнение не отображается должным образом из-за несовместимого браузера. Список совместимых браузеров см. в разделе «Технические требования» в руководстве.

Δt=масса⋅cV⋅ΔTQ=12,9⋅718⋅30103=278с (~5мин)Это уравнение отображается неправильно из-за несовместимого браузера. Список совместимых браузеров см. в разделе «Технические требования» в руководстве.

Часто у нас нет четко определенного объема, а есть только воздушная масса. Мы можем легко измерить давление и температуру воздушной массы, но мы не можем легко измерить ее объем. Часто мы можем вычислить скорость нагрева на единицу объема (или массы) воздуха. Таким образом:

Qmass≡q=масса⋅cVdTdtmass=cVdTdt; q=cVdTdtЭто уравнение не отображается должным образом из-за несовместимого браузера. Список совместимых браузеров см. в разделе «Технические требования» в руководстве.

[2,29]

, где q – удельная скорость нагрева (единицы СИ: Дж кг –1 с –1 ).

Теплоемкость при постоянном давлении

Атмосфера не является герметичной коробкой и при нагревании воздуха может расширяться. Мы больше не можем игнорировать изменение громкости. С другой стороны, при изменении объема любые изменения давления быстро гасятся, в результате чего давление в воздушной посылке остается примерно постоянным даже при изменении температуры и объема.Этот процесс при постоянном давлении называется изобарическим.

Q=dUdt+pdVdtЭто уравнение отображается неправильно из-за несовместимого браузера. Список совместимых браузеров см. в разделе «Технические требования» в руководстве.

[2,30]

Теперь изменение внутренней энергии может быть связано с изменениями температуры или изменениями объема. Оказывается, внутренняя энергия не меняется при изменении объема. Он меняется только из-за изменения температуры .Но мы уже знаем, как связаны изменения внутренней энергии с изменениями температуры на примере нагрева закрытого ящика. То есть изменения внутренней энергии связаны с постоянным объемом теплоемкости, C v . Таким образом:

Q=CVdTdt+pdVdtЭто уравнение не отображается должным образом из-за несовместимого браузера. Список совместимых браузеров см. в разделе «Технические требования» в руководстве.

[2,31]

Обратите внимание, что при постоянном объеме мы получаем выражение нагревания постоянного объема.

Предположим, мы открыли крышку коробки, и теперь воздушный пакет открыт для остальной части атмосферы. Что происходит, когда мы нагреваем воздушную посылку? Насколько повышается температура?

Трудно сказать, так как возможно, помимо повышения температуры, объем воздушной посылки может измениться. Таким образом, мы можем предположить, что при фиксированной скорости нагрева Q повышение температуры в открытом ящике будет меньше, чем повышение температуры в закрытом ящике, где объем остается постоянным, поскольку объем может изменяться так же, как и температура.

Энтальпия

Энтальпия ( H ) – это количество энергии, которое учитывает не только внутреннюю энергию, но и энергию, связанную с работой. Это полезный способ принять во внимание оба способа изменения энергии в наборе молекул – изменения внутренней энергии и изменения объема, которые приводят к выполнению работы .

энтальпия≡H=U+pVЭто уравнение не отображается должным образом из-за несовместимого браузера.Список совместимых браузеров см. в разделе «Технические требования» в руководстве.

[2,32]

Энтальпия – это полная энергия воздушной посылки, включая эффекты изменения объема. Мы можем заняться алгеброй и использовать Цепное правило , чтобы записать Первый закон термодинамики в терминах энтальпии:

Q=dUdt+pdVdt=dUdt+d(pV)dt-Vdpdt=d(U+pV)dt-Vdpdt=dHdt-VdpdtЭто уравнение отображается неправильно из-за несовместимого браузера. Список совместимых браузеров см. в разделе «Технические требования» в руководстве.

[2,33]

Если давление постоянно, что верно для многих процессов с воздушными посылками, то dp/dt = 0 и:

Q=dHdtЭто уравнение не отображается должным образом из-за несовместимого браузера. Список совместимых браузеров см. в разделе «Технические требования» в руководстве.

[2,34]

Резюме
  • В процессе постоянного объема нагревание изменяет только внутреннюю энергию, U .
  • В процессе постоянного давления нагрев изменяет энтальпию, H (как внутреннюю энергию, так и рабочую).

По аналогии с процессом постоянного объема, для процесса постоянного давления мы можем написать:

Qconstantpressure=dHdt=CpdTdtЭто уравнение не отображается должным образом из-за несовместимого браузера. Список совместимых браузеров см. в разделе «Технические требования» в руководстве.

[2,35]

где C p — теплоемкость при постоянном давлении, а c p — удельная теплоемкость при постоянном давлении.

Обратите внимание, что c p учитывает энергию, необходимую для увеличения объема, а также для увеличения внутренней энергии и, следовательно, температуры.

В чем разница между c p и c против ? Вы увидите вывод соотношения, а я просто представлю результаты:

  • by mole:   c(p,m)=c(V,m)+R*Это уравнение отображается неправильно из-за несовместимого браузера.Список совместимых браузеров см. в разделе «Технические требования» в руководстве.
  • по массе для сухого воздуха: cpd=cVd+RdЭто уравнение отображается неправильно из-за несовместимого браузера. Список совместимых браузеров см. в разделе «Технические требования» в руководстве.
  • по массе для водяного пара: cpv=cVv+RvЭто уравнение отображается неправильно из-за несовместимого браузера. Список совместимых браузеров см. в разделе «Технические требования» в руководстве.
газ c В (@ 0 o C) Дж кг –1 K –1 c p (@ 0 o C) J кг –1 K –1
сухой воздух 718 1005
водяной пар 1390 1858

Поскольку c p > c v , изменение температуры при постоянном давлении будет меньше, чем изменение температуры при постоянном объеме, поскольку часть энергии идет на увеличение объема, а также на повышение температуры. .

Краткое изложение форм первого закона термодинамики

Q=CVdTdt+pdVdtЭто уравнение не отображается должным образом из-за несовместимого браузера. Список совместимых браузеров см. в разделе «Технические требования» в руководстве.

[2,36]

Q=CpdTdt-VdpdtЭто уравнение не отображается должным образом из-за несовместимого браузера. Список совместимых браузеров см. в разделе «Технические требования» в руководстве.

[2,37]

Q=dUdt+pdVdtЭто уравнение отображается неправильно из-за несовместимого браузера.Список совместимых браузеров см. в разделе «Технические требования» в руководстве.

[2,38]

Q=dHdt-VdpdtЭто уравнение не отображается должным образом из-за несовместимого браузера. Список совместимых браузеров см. в разделе «Технические требования» в руководстве.

[2,39]

Часто бывает полезно выразить эти уравнения через конкретные величины, такие как удельный объем ( α В/м = ρ -1 ), удельная теплоемкость при постоянном давлении ( c p C p / м ) и удельная теплоемкость при постоянном объеме ( c В Кл В / м ). С этими определениями первые три приведенных выше уравнения становятся:

q=cVdTdt+pdαdtЭто уравнение отображается неправильно из-за несовместимого браузера. Список совместимых браузеров см. в разделе «Технические требования» в руководстве.

[2,40]

q=cpdTdt-αdpdtЭто уравнение не отображается должным образом из-за несовместимого браузера. Список совместимых браузеров см. в разделе «Технические требования» в руководстве.

[2,41]

q=dudt+pdαdtЭто уравнение не отображается должным образом из-за несовместимого браузера.Список совместимых браузеров см. в разделе «Технические требования» в руководстве.

[2,42]

Вы можете определить, какую форму использовать, выполнив три шага:

  1. Определите систему. (т.е. что такое авиапосылка и каковы ее характеристики?)
  2. Определите процесс(ы) (например, постоянное давление, постоянный объем, нагрев, охлаждение?). Выберите форму уравнения, убрав член с сохраняющейся величиной (т. например, dp/dt = 0 или dV/dt = 0), потому что тогда у вас будет более простое уравнение.
  3. Посмотрите, какие переменные у вас есть, а затем выберите уравнение, в котором эти переменные есть.
Проверьте свое понимание

Рассмотрим приземный слой атмосферы глубиной 100 м и средней плотностью 1,2 кг м –3 . Раннее утреннее солнце нагревает поверхность, которая нагревает воздух со скоростью нагрева F = 50 Вт·м –2 .Как быстро повышается температура в слое? Почему это увеличение важно?

  1. Что такое система? Воздушный слой. Поскольку мы знаем тепловыделение на единицу площади, поработаем над задачей на единицу площади.
  2. Что это за процесс? Постоянное давление и нагрев солнцем.
  3. Какие переменные у нас есть? Q=CpdTdtЭто уравнение не отображается должным образом из-за несовместимого браузера. Список совместимых браузеров см. в разделе «Технические требования» в руководстве.

Нажмите, чтобы ответить.

Q=FA=50 Вт·м−2AЭто уравнение отображается неправильно из-за несовместимого браузера. Список совместимых браузеров см. в разделе «Технические требования» в руководстве.

Cp=cpρV=cpρ Δz AЭто уравнение отображается неправильно из-за несовместимого браузера. Список совместимых браузеров см. в разделе «Технические требования» в руководстве.

Q=FA=cpρ Δz AdTdtЭто уравнение отображается неправильно из-за несовместимого браузера. Список совместимых браузеров см. в разделе «Технические требования» в руководстве.

dTdt=FAcp ρ Δz A=Fcpρ Δz=501005 1,2 100=4,2×10−4K с−1=1,5 K час−1Это уравнение отображается неправильно из-за несовместимого браузера. Список совместимых браузеров см. в разделе «Технические требования» в руководстве.

Это повышение температуры важно, потому что оно является одним из наиболее важных факторов, определяющих, будет ли конвекция происходить позже в течение дня. Мы поговорим о нестабильности в ближайшее время.

Вот видео (1:30) объяснение вышеуказанной проблемы:

Сухое воздушное отопление

Нажмите здесь, чтобы просмотреть стенограмму видео о сухом воздушном отоплении.

Пройдемся по этой задаче, рассматривая нагрев воздуха в самой нижней части атмосферы, которая называется атмосферной границей. Солнце нагревает землю, а затем земля нагревает соприкасающийся с ней воздух. Чтобы увидеть, как быстро будет нагреваться воздух, нам нужно знать скорость нагрева, но нам также нужно знать вместимость воздушной посылки. Мощность нагрева указывается в ваттах на квадратный метр, затем мы можем умножить на некоторую произвольную площадь, чтобы получить общую скорость нагрева. Практически всегда нагрев и охлаждение атмосферы происходит при постоянном давлении.Теплоемкость, таким образом, зависит от удельной теплоемкости при постоянном давлении. Но это также зависит от массы воздушной посылки, которая является произведением плотности на объем. Итак, нам нужно найти плотность, если она нам не дана. Для этого можно использовать закон идеального газа. Объем – это просто высота, умноженная на площадь. Таким образом, мы помещаем скорость нагревания слева, а влияние нагрева на посылку справа. Мы предполагаем довольно однородный воздушный участок, поэтому мы видим, что нам вообще не нужно было умножать на площадь, поскольку она просто компенсируется.Мы можем изменить это уравнение, чтобы получить изменение температуры во времени слева и все известные переменные справа. А затем мы можем подставить числа и выяснить, каково изменение температуры со временем.

Проверьте свое понимание

Рассмотрим приземный слой атмосферы глубиной 100 м и средней плотностью 1,2 кг м –3 . Ночь и тьма, и земля, соприкасающаяся с воздухом, охлаждается до 50 Вт м –2 . Если температура в начале ночи была 25 o С, какова будет температура через 8 часов?

  1. Что такое система? Воздушный слой.Поскольку мы знаем охлаждение на единицу площади, решаем задачу на единицу площади.
  2. Что это за процесс? Постоянное давление и охлаждение за счет земли, излучающей энергию в космос, и охлаждение воздуха за счет контакта с землей.
  3. Какие переменные у нас есть? Q=CpdTdtЭто уравнение не отображается должным образом из-за несовместимого браузера. Список совместимых браузеров см. в разделе «Технические требования» в руководстве.

Нажмите, чтобы ответить.

Q=FA=-50 Вт·м−2AЭто уравнение отображается неправильно из-за несовместимого браузера.Список совместимых браузеров см. в разделе «Технические требования» в руководстве.

Cp=cpρV=cpρ Δz AЭто уравнение отображается неправильно из-за несовместимого браузера. Список совместимых браузеров см. в разделе «Технические требования» в руководстве.

Q=FA=cpρ Δz AdTdtЭто уравнение отображается неправильно из-за несовместимого браузера. Список совместимых браузеров см. в разделе «Технические требования» в руководстве.

dTdt=FAcpρ Δz A=Fcpρ Δz=-501005 1. 2 100=-4,2 x 10 – 4 тыс. с – 1 = – 1,5 к ч 1 Это уравнение отображается неправильно из-за несовместимого браузера. Список совместимых браузеров см. в разделе «Технические требования» в руководстве.

Поскольку охлаждение продолжается в течение 8 часов, общее количество охлаждения составляет –1,5 К/час x 8 часов = 12 К или 12 o C. Таким образом, температура через 8 часов будет 13 o C.

Это охлаждение у поверхности создает слой холодного воздуха у поверхности со слоем более теплого воздуха над ним.Наслоение теплого воздуха на более холодный воздух создает температурную инверсию, которая подавляет конвекцию и блокирует загрязняющие вещества в воздушном слое у поверхности Земли.

Что является примером практической задачи первого закона термодинамики?

Термопеременные

U — внутренняя энергия (действительно внутреннее движение молекул)
Q — теплота (в калориях)
Вт — работа (в джоулях) Примечание: 1000 кал = 4186 джоулей

Первый закон термодинамики –> U = Q – W

Это стандартный формат формулы. В переводе на английский это означает, что внутренняя энергия является функцией тепла (Q), поступающего в систему (из окружающей среды), и работы, совершаемой системой над окружающей средой.

Однако Q может быть как положительным, так и отрицательным. Если Q положителен, тепло поступает в систему из окружающей среды; если Q отрицательно, тепло покидает систему и уходит в окружающую среду.

Вт также может быть как положительным, так и отрицательным. Но перевод немного менее прямолинеен; на самом деле это довольно сложно, так как отрицательное значение в стандартной формуле означает, что положительное или отрицательное значение Work может быть неверно истолковано.

Во избежание двусмысленности (и неверных ответов на тесты) при анализе работы подумайте о формуле в два отдельных этапа:

(1) U = Q – W ДЕЙСТВИТЕЛЬНО ——–> U = Q – (+W)
В этом уравнении работа положительна и совершается системой над окружающей средой.

(2) U = Q + W РЕАЛЬНО ——–> U = Q – (-W)
В этом уравнении работа отрицательна и совершается над системой окружающей средой

Ключевой момент в анализе того, является ли работа положительной или отрицательной, основывается на предлоге: когда работа выполняется системой, W является pos; когда в системе совершается работа, W отрицательна.

Когда работа совершается системой, внутренняя энергия уменьшается; когда над системой совершается работа, внутренняя энергия увеличивается.

Аналогичным образом, когда в систему добавляется тепло (Q-pos), внутренняя энергия увеличивается; при отводе тепла (Q-отрицательный) внутренняя энергия уменьшается.

Вот пример задачи:

Внутренняя энергия системы уменьшается на 200 Дж. Если газ совершил 50 Дж или работу, то сколько энергии перешло в виде тепла? Проделанная работа положительна или отрицательна?

-200 = U – 50 (ответ: -150 Дж; совершенная работа положительна.)

Первый закон термодинамики. Объяснение, значение, применение и ограничения

Изучение взаимосвязей между работой, теплом и температурой и их связи с энергией, энтропией и физическими свойствами материи. Термодинамика объясняет, как на материю влияет процесс преобразования тепловой энергии в другие формы энергии или из них, а также сам процесс.

Энергия, высвобождаемая из тепла, называется тепловой энергией. Это генерируемое тепло позволяет частицам двигаться внутри объекта, и по мере увеличения скорости этих частиц выделяется больше тепла.

Есть четыре закона термодинамики, которые следуют следующим образом –

  1. Zeroth Закон термодинамики

  2. Первый закон термодинамики

  3. 99
  4. 99
  5. Третий закон термодинамики

пусть Рассмотрим подробно первый закон термодинамики.
 

Первый закон термодинамики. Объяснение

Первый закон термодинамики гласит, что количество поглощаемой теплоты, когда некоторое количество теплоты сообщается системе, способной совершать внешнюю работу, равно сумме увеличение внутренней энергии системы за счет повышения температуры и внешней работы, совершаемой при расширении.

Первый закон термодинамики обычно выражается уравнением:

U=QW

Где U=изменение внутренней энергии термодинамической системы

Q=тепло, переданное системе

W=работа, совершенная системой

Дифференциальная форма первого закона уравнения термодинамики-

dU-dQ-dW

Первый закон термодинамики также называют «Законом сохранения энергии». Закон сохранения энергии гласит, что «Энергию нельзя ни уничтожить, ни создать, ее можно только перевести из одной формы в другую».

Значение первого закона термодинамики

Значение первого закона термодинамики следующее:

  • Связь между теплом и работой устанавливается первым законом термодинамики.

  • И Работа, и Теплота эквивалентны друг другу.

  • Точное эквивалентное количество энергии окружающей среды будет потеряно или получено, если какая-либо система получит или потеряет энергию.

  • Приложенное тепло всегда равно сумме выполненной работы и изменения внутренней энергии.

  • Энергия постоянна для изолированной системы.

Применение первого закона термодинамики

  • Первый закон термодинамики обычно используется в тепловых двигателях.

  • Холодильники — еще один пример, в котором используется первый закон термодинамики.

  • Потоотделение — отличный пример первого закона термодинамики, поскольку тепло тела передается поту.

Оставить комментарий