Prima lege a termodinamicii afirmă că orice schimbare experimentată de energia unui sistem provine din munca mecanică efectuată, plus căldura schimbată cu mediul înconjurător. Fie că sunt în repaus sau în mișcare, obiectele (sistemele) au energii diferite, care pot fi transformate de la o clasă la alta printr-un anumit tip de proces..
Dacă un sistem se află în liniștea laboratorului și energia sa mecanică este 0, acesta are încă energie internă, datorită faptului că particulele care îl compun experimentează continuu mișcări aleatorii.
Mișcările aleatorii ale particulelor, împreună cu interacțiunile electrice și, în unele cazuri, cele nucleare, alcătuiesc energia internă a sistemului și atunci când acesta interacționează cu mediul său, apar variații ale energiei interne..
Există mai multe moduri de a face ca aceste schimbări să aibă loc:
- Primul este că sistemul schimbă căldura cu mediul. Acest lucru se întâmplă atunci când există o diferență de temperatură între cele două. Atunci cel mai fierbinte renunță la căldură - o modalitate de a transfera energia - la cel mai rece, până când ambele temperaturi sunt egale, ajungând la echilibru termic..
- Prin efectuarea unei lucrări, fie că sistemul o realizează, fie că o face un agent extern pe sistem.
- Adăugarea de masă la sistem (masa este egală cu energia).
Fie U energia internă, echilibrul ar fi ΔU = U final - U inițial, deci este convenabil să atribuiți semne, care conform criteriului IUPAC (Uniunea Internațională de Chimie Pură și Aplicată) Sunt:
- Q pozitiv și W (+), când sistemul primește căldură și munca este gata peste el (energia este transferată).
- Q și W negative (-), dacă sistemul renunță la căldură și funcționează asupra mediului (energia scade).
Indice articol
Prima lege a termodinamicii este un alt mod de a afirma că energia nu este nici creată, nici distrusă, ci este transformată de la un tip la altul. Dacă faceți acest lucru, veți produce căldură și muncă, care pot fi folosite la maximum. Matematic se exprimă după cum urmează:
ΔU = Q + W
Unde:
- ΔU este schimbarea energiei sistemului dată de: ΔU = Energia finală - Energia inițială = UF - SAUsau
- Q este schimbul de căldură dintre sistem și mediu.
- W este munca depusă pe sistem.
În unele texte, prima lege a termodinamicii este prezentată astfel:
ΔU = Q - W
Acest lucru nu înseamnă că se contrazic sau că există o eroare. Acest lucru se datorează faptului că lucrarea W a fost definită ca munca efectuată de sistem mai degrabă decât folosind munca efectuată pe sistem, ca în abordarea IUPAC.
Cu acest criteriu, prima lege a termodinamicii este enunțată în acest fel:
Cand este transferat o cantitate de căldură Q către un corp și aceasta la rândul său efectuează anumite lucrări W, schimbarea energiei sale interne este dată de ΔU = Q - W.
Fiind în concordanță cu alegerea semnelor și ținând cont de faptul că:
W efectuate pe sistem = - W efectuate de sistem
Ambele criterii vor da rezultate corecte.
Atât căldura, cât și munca sunt două modalități de a transfera energie între sistem și împrejurimi. Toate cantitățile implicate au ca unitate în Sistemul Internațional joule sau joule, prescurtat J.
Prima lege a termodinamicii oferă informații despre schimbarea energiei, nu valorile absolute ale energiei finale sau inițiale. Chiar și unele dintre ele ar putea fi considerate 0, deoarece ceea ce contează este diferența de valori.
O altă concluzie importantă este că fiecare sistem izolat are ΔU = 0, deoarece nu este capabil să schimbe căldura cu mediul și niciun agent extern nu are voie să lucreze asupra acestuia, astfel încât energia rămâne constantă. Un termos pentru a vă menține cafeaua caldă este o aproximare rezonabilă.
Deci, într-un sistem neizolat ΔU este întotdeauna diferit de 0? Nu neapărat, ΔU poate fi 0 dacă variabilele sale, care sunt de obicei presiunea, temperatura, volumul și numărul de moli, parcurg un ciclu în care valorile lor inițiale și finale sunt aceleași.
De exemplu, în ciclul Carnot, toată energia termică este transformată în muncă utilizabilă, deoarece nu are în vedere pierderile cauzate de frecare sau vâscozitate.
În ceea ce privește U, energia misterioasă a sistemului, ea include:
- Energia cinetică a particulelor în timp ce se mișcă și cea care provine din vibrațiile și rotațiile atomilor și moleculelor.
- Energie potențială datorată interacțiunilor electrice dintre atomi și molecule.
- Interacțiunile nucleului atomic, ca în interiorul soarelui.
Prima lege prevede că este posibil să se producă căldură și să funcționeze provocând modificarea energiei interne a unui sistem. Una dintre cele mai reușite aplicații este motorul cu ardere internă, în care este preluat un anumit volum de gaz și expansiunea acestuia este utilizată pentru a efectua lucrări. O altă aplicație bine cunoscută este motorul cu aburi.
Motoarele folosesc de obicei cicluri sau procese în care sistemul pornește de la o stare inițială de echilibru către o altă stare finală, de asemenea, de echilibru. Multe dintre ele au loc în condiții care facilitează calculul muncii și al căldurii de la prima lege.
Iată șabloane simple care descriu situații obișnuite, de zi cu zi. Cele mai ilustrative procese sunt adiabatice, izocorice, izoterme, izobarice, procesele cu cale închisă și expansiunea liberă. În ele, o variabilă de sistem este menținută constantă și, prin urmare, prima lege ia o formă specială.
Sunt acelea în care volumul sistemului rămâne constant. Prin urmare, nu se lucrează și cu W = 0 rămâne:
ΔU = Q
În aceste procese presiunea rămâne constantă. Munca efectuată de sistem se datorează schimbării volumului.
Să presupunem că un gaz este închis într-un container. Deoarece lucrarea W este definită ca:
W = Forța x deplasare = F.Δl (valabil pentru o forță constantă paralelă cu deplasarea).
Și la rândul său presiunea este:
p = F / A ⇒ F = p.A
Prin substituirea acestei forțe în expresia muncii, rezultă:
W = p. A. Δl
Dar produsul A. Δl este egal cu modificarea volumului ΔV, lăsând lucrarea astfel:
W = p ΔV.
Pentru un proces izobaric, prima lege ia forma:
ΔU = Q - p ΔV
Sunt cele care au loc la o temperatură constantă. Acest lucru poate avea loc prin punerea sistemului în contact cu un rezervor termic extern și determinarea schimbului de căldură foarte lent, astfel încât temperatura să fie constantă..
De exemplu, căldura poate curge dintr-un rezervor fierbinte în sistem, permițând sistemului să funcționeze, fără variații în inU. Atunci:
Q + W = 0
În procesul adiabatic nu există transfer de energie termică, prin urmare Q = 0 și prima lege se reduce la ΔU = W. Această situație poate apărea în sisteme bine izolate și înseamnă că schimbarea energiei provine din munca efectuată. despre el, conform convenției actuale privind semnele (IUPAC).
S-ar putea crede că, din moment ce nu există transfer de energie termică, temperatura va rămâne constantă, dar acest lucru nu este întotdeauna cazul. În mod surprinzător, comprimarea unui gaz izolat are ca rezultat o creștere a temperaturii acestuia, în timp ce în expansiunea adiabatică temperatura scade.
Într-o proces de cale închisă, sistemul revine la aceeași stare în care era la început, indiferent de ceea ce s-a întâmplat în punctele intermediare. Aceste procese au fost menționate anterior când s-a vorbit despre sisteme neizolate.
În ele ΔU = 0 și deci Q = W sau Q = -W conform criteriului de semn adoptat.
Procesele cu cale închisă sunt foarte importante deoarece reprezintă baza motoarelor termice, cum ar fi cea cu abur..
În cele din urmă, expansiune gratuită este o idealizare care are loc într-un recipient izolat termic care conține un gaz. Containerul are două compartimente separate de o partiție sau membrană, iar gazul se află într-unul dintre ele.
Volumul recipientului crește brusc dacă membrana se rupe și gazul se extinde, dar containerul nu conține un piston sau orice alt obiect care să se miște. Atunci gazul nu funcționează în timp ce se extinde și W = 0. Deoarece este izolat termic, Q = 0 și se concluzionează imediat că ΔU = 0.
Prin urmare, expansiunea liberă nu provoacă modificări ale energiei gazului, dar în mod paradoxal în timp ce se extinde nu se află în echilibru.
- Un proces izocoric tipic este încălzirea unui gaz într-un recipient etanș și rigid, de exemplu o oală sub presiune fără supapă de evacuare. În acest fel, volumul rămâne constant și dacă punem un astfel de recipient în contact cu alte corpuri, energia internă a gazului se schimbă numai datorită transferului de căldură datorat acestui contact..
- Mașinile termice efectuează un ciclu în care preiau căldura dintr-un rezervor termic, transformând aproape totul în lucru, lăsând o parte pentru propria lor funcționare și excesul de căldură este aruncat într-un alt rezervor mai rece, care este, în general, mediul înconjurător..
- Pregătirea sosurilor într-o oală neacoperită este un exemplu zilnic de proces izobaric, deoarece gătitul are loc la presiunea atmosferică, iar volumul sosului scade în timp, pe măsură ce lichidul se evaporă..
- Un gaz ideal în care are loc un proces izotermic menține constant produsul de presiune și volum: P. V = constantă.
- Metabolismul animalelor cu sânge cald le permite să mențină o temperatură constantă și să efectueze multiple procese biologice, în detrimentul energiei conținute în alimente..
Un gaz este comprimat la o presiune constantă de 0,800 atm, astfel încât volumul său variază de la 9,00 L la 2,00 L. În acest proces, gazul dă 400 J de energie prin căldură. a) Găsiți lucrările efectuate pe gaz și b) calculați modificarea energiei sale interne.
În procesul adiabatic este satisfăcut faptul că Psau = PF, munca depusă pe gaz este W = P. ΔV, după cum sa explicat în secțiunile precedente.
Sunt necesari următorii factori de conversie:
1 atm = 101,325 kPa = 101,325 Pa.
1 L = 0,001 m3
Prin urmare: 0,8 atm = 81,060 Pa și ΔV = 9 - 2 L = 7 L = 0,007 m3
Înlocuind valorile pe care le obțineți:
L = 81060 Pa x 0,007 m3 = 567,42 J
Când sistemul renunță la căldură, Î semnul este atribuit -, prin urmare, prima lege a termodinamicii este după cum urmează:
ΔU = -400 J + 567,42 J = 167,42 J.
Se știe că energia internă a unui gaz este de 500 J și când este comprimat adiabatic volumul său scade cu 100 cm3. Dacă presiunea aplicată gazului în timpul comprimării a fost de 3,00 atm, calculați energia internă a gazului după comprimarea adiabatică.
Deoarece declarația informează că compresia este adiabatică, este adevărat că Q = 0 Da ΔU = W, atunci:
ΔU = W = U final - SAU iniţială
Cu U inițial = 500 J.
Conform datelor ΔV = 100 cm3 = 100 x 10-6 m3 Da 3 atm = 303975 Pa, Prin urmare:
W = P. ΔV = 303975 Pa x 100 x 10-6 m3 = 30,4 J
SAU final - SAU iniţială = 30,4 J
SAU final = U iniţială + 30,4 J = 500 J + 30,4 J = 530,4 J.
Nimeni nu a comentat acest articol încă.