Первый закон термодинамики определение и формула: 3.9. Первый закон термодинамики - Санкт-Петербургское государственное бюджетное учреждение социального обслуживания населения

Содержание

Первый закон термодинамики для изопроцессов – применение, формулы, определение кратко (10 класс)

4.5

Средняя оценка: 4.5

Всего получено оценок: 129.

Обновлено 17 Декабря, 2020

4.5

Средняя оценка: 4.5

Всего получено оценок: 129.

Обновлено 17 Декабря, 2020

Решение всех задач термодинамики опирается на первый закон, который фактически является термодинамическим аналогом закона сохранения энергии. Кратко рассмотрим применение первого закона термодинамики к изопроцессам.

Первый закон термодинамики

Из курса физики за 10 класс известно, что согласно первому закону термодинамики (иногда говорят «первому началу») изменение внутренней энергии системы в любых процессах равно работе внешних сил и количеству теплоты, переданного системе. В виде формулы это можно отразить так:

$$ΔU=A+Q$$

Данный закон работает для любых процессов. Если система не совершает работы и к ней не подводится тепло, то ее внутренняя энергия останется неизменной, независимо от того, что произошло с газом.

Рис. 1. Первый закон термодинамики.

Изопроцессы

Наиболее ярко действие первого закона термодинамики видно на примере газовых процессов.

Газовый процесс — это изменение состояния некоторого количества идеального газа, в котором изменяются его макроскопические параметры: объем, давление, температура. Чтобы проще рассматривать газовый процесс, обычно считают, что один из параметров зафиксирован, а меняются только остальные два. Такой процесс называется изопроцессом. При этом любой процесс с изменением всех трех параметров можно представить как два последовательных изопроцесса.

Поскольку макроскопических параметров три, то и и изопроцессов возможно три — изохорный (постоянный объем), изобарный (постоянное давление), изотермический (постоянная температура). Иногда к ним добавляется еще один, четвертый, процесс, который, строго говоря, изопроцессом не является, однако имеет важные особенности, — это адиабатный процесс, в котором газ не обменивается теплом со внешней средой.

Рис. 2. Изопроцессы.

Рассмотрим, как работает первый закон термодинамики для изопроцессов.

Теплоемкость газа в изопроцессах

Первое начало термодинамики позволяет связывать количество тепла, переданное газу с его температурой, — то есть производить определение его теплоемкости.

Рис. 3. Теплоемкость.

Жидкие и твердые тела мало меняют свой объем при изменении температуры, теплоемкость у них также изменяется незначительно. Теплоемкость газов же значительно зависит от процесса, происходящего с газом.

Изохорный процесс

При изохорном процессе объем газа постоянен. Следовательно, и работа равна нулю. А значит, согласно первому началу, всё подведенное к газу тепло пойдет на изменение внутренней энергии:

$$ΔU=Q$$

Для одноатомного газа:

$$Q = {3m \over 2M}RΔT$$

Следовательно, удельная теплоемкость равна:

$$c_V = {Q \over mΔT}={3R \over 2M}$$

А молярная теплоемкость:

$$С_V = {3 \over 2}R$$

Изобарный процесс

При изобарном процессе происходит как изменение внутренней энергии, так и совершение работы.

Согласно первому началу термодинамики имеем:

$$Q= ΔU+A =ΔU+pΔV$$

Учитывая уравнение состояния (для одного моля газа):

$$pV=RT$$

И формулу теплоемкости при постоянном давлении:

$$Q_p=C_pΔT$$

Получим:

$$C_pΔT =C_VΔT+RΔT$$

Или после сокращения:

$$C_p =C_V + R$$

То есть для одноатомного газа:

$$С_p = {5 \over 2}R$$

Изотермический процесс

Для изотермического процесса температура газа остается постоянной, и внутренняя энергия газа не меняется, сколько бы тепла газу не передавалось. То есть формально теплоемкость при таком процессе стремится к бесконечности:

$$C_T \rightarrow ∞$$

Адиабатный процесс

При адиабатном процессе работа газа совершается исключительно за счет изменения внутренней энергии:

$$ΔU=A$$

Поскольку $Q=0$, и теплообмен с внешней средой отсутствует, теплоемкость газа в адиабатном процессе также стремится к нулю:

$$C_{Q=0} \rightarrow 0$$

Что мы узнали?

Первый закон термодинамики гласит, что изменение внутренней энергии газа равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного газу. С помощью этого закона можно определить количество тепла, необходимое, чтобы сообщить газу в различных изопроцессах, то есть определить его теплоемкость.

Тест по теме

Доска почёта

Чтобы попасть сюда – пройдите тест.

Пока никого нет. Будьте первым!

Оценка доклада

4.5

Средняя оценка: 4.5

Всего получено оценок: 129.

А какая ваша оценка?

Первый закон термодинамики

Главная
Справочник
Законы
Законы термодинамики
Первый закон термодинамики

Энтальпия
Энтропия

Определение первого закона термодинамики (4 формулировки):

Энергия не может быть создана или уничтожена (закон сохранения энергии), она лишь переходит из одного вида в другой в различных физических процессах. Отсюда следует, что внутренняя энергия изолированной системы остается неизменной.

Количество теплоты, полученное системой, идет на изменение ее внутренней энергии и совершение работы против внешних сил.

Изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданной системе и не зависит от способа, которым осуществляется этот переход.

Изменение внутренней энергии неизолированной термодинамической системы равно разности между количеством теплоты, переданной системе, и работой, совершенной системой над внешними силами.

Первый закон термодинамики в математическом виде:

где – количество теплоты, которое получает термодинамическая система; – изменение внутренней энергии рассматриваемой системы; A – работа, которую выполняет система над внешними телами (против внешних сил).

Первый закон термодинамики в дифференциальном виде:

где – элемент количества теплоты, который получает система; – бесконечно малая работа, которую выполняет термодинамическая система; dU – элементарное изменение внутренней энергии, рассматриваемой системы.

Следует обратить внимание на то, что в формуле (2) dU – элементарное изменение внутренней энергии является полным дифференциалом, в отличие от и .

Количество теплоты считают положительным, если система тепло получает и отрицательным, если тепло отводится от термодинамической системы. Работа будет больше нуля, если ее совершает система, и работа будет считаться отрицательной, если она совершается над системой внешними силами.

В то случае, если система вернулась в первоначальное состояние, то изменение ее внутренней энергии будет равно нулю:

В таком случае в соответствии с первым законом термодинамики мы имеем:

Выражение (4) означает, что невозможен вечный двигатель первого рода. То есть, принципиально нельзя создать периодически действующую систему (тепловой двигатель), совершающую работу, которая была бы больше, чем количество теплоты, полученное системой извне. Положение о невозможности вечного двигателя первого рода, также является одним из вариантов формулировки первого закона термодинамики.

Первый закон термодинами гласит, что энергия не может быть создана или уничтожена. Таким образом, энергия системы (замкнутой) – постоянна. Тем не менее, энергия может быть передана от одного элемента системы другому. Рассмотрим замкнутую систему, изолированную от остальных.

Передача энергии между различными подсистемами в ней может быть описана как :

E₁ = E₂

где: E₁ = начальная энергия, E₂ = конечная энергия

Внутрення энергия включает :

Кинетическую энергию движения атомов
Потенциальную энергию хранящуюся в химических связях
Гравитационную энергию системы

Первый закон является основой для термодинамической науки и инженерного анализа.

Базируется на возможных типах обмена (энергии), ниже приведены 3 типа систем:

пред – изолированные системы (isolated systems): отсутствует обмен элементами системы или энергией
закрытые системы (closed systems): отсутствует обмен элементами системы, но присутствует некоторый обмен энергией
открытые системы (open systems): возможен обмен как элементами системы, так и энергией

Первый закон термодинамики помогает использовать ключевые концепции внутренней энергии (internal energy), тепла (heat), и работы системы (system work).

которые широко используются в описании тепловых систем (heat engines).

Внутренняя энергия ( Internal Energy) – Внутренняя энергия определяется как энергия случайных, находящихся в неупорядченном движении молекул. Энергия молекул находится в диапазоне от высокой, необходимой для движения, до заметной лишь с помощью микроскопа энергии на молекулярном или атомном уровне. Например, у стакана с водой комнатной температы, стоящего на столе нет, на первый взгляд, никакой энергии: ни кинетической, ни потенциальной относительно стола. Но, с помощью микроскопа становится заметна “бурлящая” масса быстро двигающихся молекул. Если выплеснуть воду из стакана, эта микроскопическая энергия не обязательно заметно изменится, когда мы усредним добавленную кинетическую энергию на все молекулы воды.
Тепло – Тепло может быть определено, как энергия, передаваемая от объекта с более высокой температурой к объекту с менее высокой температурой. Сам по себе объект не обладает “теплом”; соответствующий термин для микроскопической энергии объекта – внутренняя энергия. Внутренняя энергия может увеличиваться путем переноса энергии к объекту от объекта, имеющего температуру выше – этот процесс называется нагревом.
Работа – Когда работа совершается термодинамической системой (чаще всего это газ, который совершает работу), то работа совершенная газом при постоянном давлении определяется как : W = p dV, где W – работа, p – давление, а dV -изменение объема.
В случаях когда давление не является постоянным, работа может быть представлена интегральным образом, как площадь поверхности под кривой в координатах давление, объем, которые представляют происходящий процесс.

Изменение внутренней энергии системы равно теплу (добавленному системе) минус работа, совершенная системой

dE = Q – W

где: dE – изменение внутренней энергии, Q – добавленное тепло, W – работа системы

1й закон не дает информации о характере процесса и не определяет конечного состояния равновесия. Интуитивно мы понимаем, что энергия переходит от объекта с более высокой температурой к объекту с менее высокой температурой. Таким образом, 2й закон нам нужен для получения информации о характере процесса.

Энтальпия

Энтальпия это термодинамический потенциал, используемый в химической термодинамике реакций и не циклических процессов, однозначная функция состояния термодинамической системы при независимых параметрах энтропии и давления, связана с внутренней энергией соотношением, приведенным ниже. Это свойство вещества, указывающее количество энергии, которую можно преобразовать в теплоту.

Энтальпия определяется как:

H = U + PV

где: H – энтальпия, U – внутренняя энергия, P – давление, V – объем системы

При постоянном давлении изменение энтальпии равно количеству теплоты, подведенной к системе, поэтому энтальпию часто называют тепловой функцией или теплосодержанием. В состоянии термодинамического равновесия энтальпия системы минимальна.

Энтальпия является точно измеряемым параметром, когда определены способы выражения трех других поддающихся точному определению параметров формулы выше.

Энтропия

Термин “энтропия” – величина, характеризующая степень неопределенности системы.

Однако, в термодинамике это понятие используется для определения связанной энергии системы. Энтропия определяет способность одной системы влиять на другую. Когда объекты пересекают нижнюю границу энергетического уровня необходимого для воздействия на окружающую среду, энтропия возрастает.Энтропия связана со вторым законом термодинамики.

Энтропия (обычно обозначается S), функция состояния термодинамической системы, изменение которой dS в равновесном процессе равно отношению количества теплоты dQ, сообщенного системе или отведенного от нее, к термодинамической температуре Т системы.

в символьном виде записывается, как

dS=(dQ)/T

где: dS – изменение термодинамической системы, dQ – количество теплоты, сообщенное системе, T – термодинамическая температура системы

Неравновесные процессы в изолированной системе сопровождаются ростом энтропии, они приближают систему к состоянию равновесия, в котором S максимальна (закон неубывания энтропии).

Для вселенной в целом энтропия возрастает.

В вашем браузере отключен Javascript.
Чтобы произвести расчеты, необходимо разрешить элементы ActiveX!

Законы термодинамики Формулы Физика Теория 10 класс Закон Термодинамика Динамика 4648

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.

Горячий газ, заключенный в камере, оказывает давление на поршень, заставляя его двигаться вниз. Движение можно использовать для выполнения работы, равной общей силе, приложенной к верхней части поршня, умноженной на расстояние, на которое перемещается поршень. (Изображение предоставлено: GoodIll | Shutterstock)

Связанное содержание

Первый закон термодинамики гласит, что теплота является формой энергии, и 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, подведенная 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 распространенным практическим применением первого закона является тепловой двигатель. 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 массив горизонтальных труб, заглубленных на большой площади, по которым циркулирует рабочая жидкость, и 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.

Участник 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 ECCourses, “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. Помимо написания статей, он редактирует статьи в научных журналах по различным тематическим направлениям.

При участии

Эшли ХамерЛайв, участник науки