Первый закон термодинамики формулировка и формула: 3.9. Первый закон термодинамики

 Первый закон термодинамики имеет несколько формулировок:

• «Закон сохранения энергии», Ломоносов: энергия не исчезает бесследно и не возникает из неоткуда, а только превращается из одного вида в другой, в строго эквивалентных, всегда одинаковых соотношениях.
• Энергия изолированной системы – есть величина постоянная.
• Нельзя создать вечный двигатель первого рода, т.е. такую машину, которая совершала бы работу, не затрачивая энергии.

Математическое выражение закона: изменение внутренней энергии системы равно разности между теплотой, поглощенной системой и работой, совершаемой системой.

                ΔU = Q – A

                ΔE = Q – A

Внутренняя энергия – энергия движения молекул, атомов, электронов и ядерная (атомная) энергия.

Внутрення энергия – энергия скрытого вещества и высвобождающаяся при химических реакциях.

Абсолютное значение внутренней энергии измерит нельзя, можно измерить только ее изменение в процессе (ΔU).

                A = p * ΔV

                A = ΔnRT

В процессах внутренняя энергия может возрастать/уменьшаться:

• Если Q>A, то ΔU>0 – возрстает
• Если Q<A, то ΔU<0 – убывает
• Если Q=A, то ΔU=0

Изохорный процесс (V=const).

Т.к. ΔU = Q – A, и ΔV=0, то A=p*ΔV = p*0 = 0

ΔU=QV

Изменение внутренней энергии в изохорном процессе равно теплоте этого процесса, т.е. если теплота поглощается, то внутренняя энергия на эту величину и возросла, если теплота выделилась – внутренняя энергия уменьшилась.

Внутренняя энергия – термодинамическая функция, изменение которой равно теплоте изохорного процесса.

Внимание!

Если вам нужна помощь в написании работы, то рекомендуем обратиться к профессионалам. Более 70 000 авторов готовы помочь вам прямо сейчас.

Расчет стоимостиГарантииОтзывы

Изобарный процесс (p=const).

A=p*ΔV, A≠0, A=p(V2-V1)

ΔU=QP-p(V2-V1)

QP=ΔU+ p(V2-V1)

QP=U2-U1 + pV2-pV1

QP=(U2+pV2) – (U1+pV1)

U+pV = H (энтальпия)

      QP=h3-h2

      QP=ΔH

Энтальпия – термодинамическая функция, изменение которой равно теплоте изобарного процесса.

Энтальпия – теплота, однако не всякая теплота равно энтальпии, а только теплота изобарного процесса.

Теплота изобарного процесса равна изменению энтальпии системы.

Связь QP и QV (энтальпии и внутренней энергии)

Из предыдущих выводов следует:

                ΔH = ΔU + p*ΔV

                ΔH = ΔU +ΔnRT

Энтальпия отличается от внутренней энергии на величину работы по расширении системы.

                QP = QV + p*ΔV

                QP = QV + ΔnRT

Поможем написать любую работу на аналогичную тему

• Реферат

  Первый закон термодинамики.

  Математическое выражение первого закона. Энтальпия. Изохорная и изобарная теплоты процесса и соотношение между ними.

  От 250 руб

• Контрольная работа

  Первый закон термодинамики. Математическое выражение первого закона. Энтальпия. Изохорная и изобарная теплоты процесса и соотношение между ними.

  От 250 руб

• Курсовая работа

  Первый закон термодинамики. Математическое выражение первого закона. Энтальпия. Изохорная и изобарная теплоты процесса и соотношение между ними.

  От 700 руб

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту

Узнать стоимость

6.

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

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 над системой или системой

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 – одинаковое изменение \(E\) вызывается двумя различными процессами

Вопрос:

1. 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?
2. 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

1. Наверх

• Была ли эта статья полезной?

1. Тип изделия

   Раздел или Страница

   Показать страницу TOC

   да на странице

2. Теги

   1. источник-хим-169763

Что такое первый закон термодинамики?

Живая наука поддерживается своей аудиторией. Когда вы покупаете по ссылкам на нашем сайте, мы можем получать партнерскую комиссию. Вот почему вы можете доверять нам.

Сопутствующее содержание

Первый закон термодинамики гласит, что теплота является формой энергии, поэтому термодинамические процессы подчиняются принципу сохранения энергии. Это означает, что тепловая энергия не может быть создана или уничтожена, согласно Britannica . Однако его можно перемещать из одного места в другое и преобразовывать в другие формы энергии и из них.

Термодинамика — это раздел физики, изучающий взаимосвязь между теплотой и другими формами энергии. В частности, он описывает, как тепловая энергия преобразуется в другие формы энергии и из них, и как это влияет на материю. Фундаментальные принципы термодинамики выражены в четырех законах.

“Первый закон гласит, что внутренняя энергия системы должна быть равна работе, совершаемой над системой, плюс или минус теплота, втекающая в систему или выходящая из нее, и любая другая работа, совершаемая над системы», — сказал Live Science Сайбал Митра, профессор физики Университета штата Миссури. «Итак, это новое заявление о сохранении энергии».

«Изменение внутренней энергии системы представляет собой сумму всех энергетических входов и выходов в систему и из нее, подобно тому, как все ваши депозиты и снятия определяют изменения в вашем банковском балансе», — сказал Митра.

Математически это выражается следующим образом: Δ U = Q — Вт , где Δ U — изменение внутренней энергии, Q — теплота, подводимая к системе, а Вт — работа, проделанная системой, согласно Britannica.

История первого закона термодинамики

Ученые в конце 18-го и начале 19-го веков придерживались теории теплоты, впервые предложенной Антуаном Лавуазье в 1783 году и получившей дальнейшее развитие в работах Сади Карно в 1824 году, согласно данным American Physical Общество (откроется в новой вкладке). Эта научная теория рассматривала тепло как своего рода жидкость, которая естественным образом перетекает из горячих областей в холодные, подобно тому, как вода течет из высоких мест в низкие. Когда эта теплотворная жидкость перетекала из горячей области в холодную, ее можно было преобразовать в кинетическую энергию и заставить выполнять работу так же, как падающая вода приводит в движение водяное колесо. По данным Университета Вирджинии, только когда Рудольф Клаузиус опубликовал «Механическую теорию тепла» в 1867 году, теория калорий была окончательно положена в конец, согласно Университету Вирджинии .

Термодинамические системы

Энергию можно разделить на две части, сказал Дэвид Макки, профессор физики Южного государственного университета Миссури. Одним из них является наш макроскопический вклад в человеческом масштабе, такой как поршень, движущийся и толкающий систему газа. Остальное состоит из вещей, которые происходят в очень маленьком масштабе, где мы не можем отследить вклад каждого отдельного человека.

“Когда я ставлю два образца металла друг против друга, и атомы стучат на границе, и два атома отскакивают друг от друга, и один из них отрывается быстрее другого, я не могу уследить Это происходит в очень небольшом временном масштабе и на очень небольшом расстоянии, и это происходит много-много раз в секунду», — сказал Макки в интервью Live Science. «Итак, мы просто делим всю передачу энергии на две группы: то, что мы будем отслеживать, и то, что мы не будем отслеживать. Последнее из них мы называем теплом».

Термодинамические системы обычно рассматриваются как открытые, закрытые или изолированные. По данным Университета Калгари , открытая система свободно обменивается энергией и веществом с окружающей средой; замкнутая система обменивается с окружающей средой энергией, но не материей; и изолированная система не обменивается энергией или веществом с окружающей средой. Например, кастрюля с кипящим супом получает энергию от плиты, излучает тепло от кастрюли и выделяет вещество в виде пара, который также уносит тепловую энергию. Это будет открытая система. Если мы накроем кастрюлю плотно крышкой, она по-прежнему будет излучать тепловую энергию, но в идеале больше не будет выделять материю в виде пара. Это будет закрытая система. Однако, если бы мы налили суп в идеально изолированный термос и запечатали крышку, в систему не попало бы ни энергии, ни материи. Это будет изолированная система.

Однако на практике идеально изолированные системы не могут существовать. Все системы передают энергию окружающей среде независимо от того, насколько хорошо они изолированы. Суп в термосе будет оставаться горячим всего несколько часов и на следующий день достигнет комнатной температуры. В другом примере белые карлики, горячие остатки сгоревших звезд, которые больше не производят энергию, могут быть изолированы световыми годами почти идеального вакуума в межзвездном пространстве, но в конечном итоге они остынут с нескольких десятков тысяч градусов. почти до абсолютного нуля из-за потерь энергии на излучение. Хотя этот процесс занимает больше времени, чем нынешний возраст Вселенной, остановить его невозможно.

Тепловые двигатели

Наиболее распространенное практическое применение первого закона — тепловые двигатели. Тепловые двигатели преобразуют тепловую энергию в механическую и наоборот. Большинство тепловых двигателей относятся к категории открытых систем. По данным Университета штата Джорджия, основной принцип работы тепловой машины использует взаимосвязь между теплом, объемом и давлением рабочей жидкости (любого вещества, которое течет), обычно газа. Примеры рабочих жидкостей включают пар в паровой машине и гидрофторуглероды в холодильных системах.

При нагревании газ расширяется; однако, когда этот газ не расширяется, его давление увеличивается. Если нижняя стенка камеры удержания представляет собой верхнюю часть подвижного поршня, это давление оказывает силу на поверхность поршня, заставляя его двигаться вниз. Затем это движение можно использовать для выполнения работы, равной общей силе, приложенной к верхней части поршня, умноженной на расстояние, на которое перемещается поршень.

Существует множество вариантов базовой тепловой машины. Например, паровые двигатели полагаются на внешнее сгорание для нагрева бака котла, содержащего рабочее тело, обычно воду. Вода преобразуется в пар, а затем давление используется для привода поршня, который преобразует тепловую энергию в механическую. Автомобильные двигатели, однако, используют внутреннее сгорание, при котором жидкое топливо испаряется, смешивается с воздухом и воспламеняется внутри цилиндра над подвижным поршнем, толкая его вниз, согласно Университету Оклахомы .

Холодильники, кондиционеры и тепловые насосы

Холодильники и тепловые насосы представляют собой тепловые двигатели, преобразующие механическую энергию в тепловую. Большинство из них относятся к категории закрытых систем. При сжатии рабочего тела или газа его температура повышается. Затем этот горячий газ может передавать тепло окружающей среде. Затем, когда сжатому газу дают возможность расшириться, его температура становится ниже, чем до сжатия, потому что часть его тепловой энергии была удалена во время горячего цикла. Затем этот холодный газ может поглощать тепловую энергию из окружающей среды. По данным Бостонского университета, это принцип работы кондиционера . Кондиционеры на самом деле не производят холод; они отводят тепло.

Механический насос перекачивает рабочую жидкость наружу, где она нагревается за счет сжатия. Затем тепло передается во внешнюю среду, обычно через теплообменник с воздушным охлаждением, в котором часто используется электрический вентилятор для отвода тепла в окружающую среду. Затем рабочая жидкость возвращается в помещение, где ей дают возможность расшириться и охладиться, чтобы она могла поглощать тепло из воздуха в помещении через другой теплообменник.

Тепловой насос — это просто кондиционер, работающий в обратном направлении. Тепло от сжатого рабочего тела используется для обогрева здания. Затем он переносится наружу, где расширяется и становится холодным, что позволяет ему поглощать тепло из наружного воздуха, который даже зимой обычно теплее холодного рабочего тела. Рабочая жидкость обычно имеет достаточно низкую температуру замерзания, чтобы продолжать течь даже при очень низких температурах.

Геотермальные или наземные системы кондиционирования воздуха и тепловые насосы используют длинные U-образные трубы в глубоких колодцах или ряд горизонтальных труб, заглубленных на большой площади, по которым циркулирует рабочая жидкость, а тепло передается к земле или от нее , по данным Министерства энергетики США . Другие системы используют речную или океанскую воду для нагрева или охлаждения рабочей жидкости.

Автор Live Science Эшли Хамер обновила эту статью 28 января 2022 г.

Дополнительные ресурсы

Вот еще три объяснения первого закона термодинамики:

• Концептуальная академия (открывается в новой вкладке) на YouTube
• Профессор наук о Земле Университета Джорджа Мейсона Роберт М. Хейзен на The Great Courses Daily ( открывается в новой вкладке)
• Эта глава OpenStax College Physics (открывается в новой вкладке) из Университета Айовы

Библиография

Britannica, «Первый закон термодинамики», 1 июня 2021 г. https://www.britannica .com/science/thermodynamics/The-first-law-of-thermodynamics (открывается в новой вкладке) 

Институт истории науки, «Антуан-Лоран Лавуазье», 11 декабря 2017 г. Николя Леонар Сади Карно», 10 апреля 2012 г., https://www.asme.org/topics-resources/content/nicolas-leonard-sadi-carnot (открывается в новой вкладке)

Рудольф Клаузиус, «Механическая теория тепла». .” Джон Ван Ворст, 1867 г.

Американское физическое общество, «История физики в этом месяце, декабрь 1840 г .: реферат Джоуля о преобразовании механической энергии в тепло», декабрь 2009 г.. https://www.aps.org/publications/apsnews/200912/physicshistory.cfm

University of Virginia, «Teaching Heat: the Rise and Fall of the Caloric Theory», июль 2003 г. http: //galileoandeinstein.physics.virginia.edu/more_stuff/TeachingHeat.htm (открывается в новой вкладке) 

Университет Калгари по энергетическому образованию, «Система и окружающая среда», 27 сентября 2021 г. https://energyeducation. ca/encyclopedia/ System_and_surrounding (открывается в новой вкладке) 

Гиперфизический университет Джорджии, «Цикл теплового двигателя», http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/heaeng.html (открывается в новой вкладке) 

Университет Оклахомы Курсы «Термодинамика – Теория». http://www.ecourses.ou.edu/cgi-bin/ebook.cgi?topic=th&chap_sec=08.1&page=theory (открывается в новой вкладке)

Бостонский университет, «Тепловые двигатели и второй закон», 10 декабря. 1999 г. http://physics.bu.edu/~duffy/py105/Heatengines.html (открывается в новой вкладке)

Министерство энергетики США, «Геотермальные тепловые насосы». https://www.energy.gov/energysaver/geothermal-heat-pumps (открывается в новой вкладке)

Джим Лукас — автор статей для Live Science. Он охватывает физику, астрономию и инженерное дело. Джим окончил Университет штата Миссури, где получил степень бакалавра наук в области физики, а также астрономию и техническое письмо. После окончания университета он работал в Лос-Аламосской национальной лаборатории системным администратором, техническим писателем-редактором и специалистом по ядерной безопасности.