Формула первого закона термодинамики

Содержание

Подробности Категория: Термодинамика Опубликовано 21.12.2014 19:26 Просмотров: 12206

Первое начало термодинамики, или первый закон термодинамики, называют законом сохранения энергии для термодинамической системы.

Из истории

Юлиус Роберт фон Майер

Впервые этот закон был сформулирован немецким врачом и естествоиспытателем Юлиусом Робертом фон Майером. В качестве судового врача в 1840 г. он прибыл на остров Ява. Во время лечения больных ему приходилось делать кровопускание.

И вот тут Майер обратил внимание на то, что венозная кровь у жителей тропиков светлее, чем у европейцев. Она была почти такой же ярко-красной, как и артериальная кровь.

Учёный нашёл объяснение этому факту, предположив, что причина кроется в разнице температур между теплом собственного организма человека и теплом окружающей среды. В тропиках высокая температура, и организму требуется вырабатывать меньше теплоты. Следовательно, он сжигает меньше кислорода.

Его в крови остаётся больше, и кровь переходит из артерий в вены, оставаясь практически такого же цвета. А в холодном климате организм нуждается в большем количестве тепла. И чем больше кислорода потребляет организм для этой цели, тем заметнее разница в цвете артериальной и венозной крови.

Теплоту организм получает, сжигая кислород, то есть, совершая работу. Работа превращается в теплоту. Обоснование первого закона термодинамики Майер опубликовал в 1842 г. в своей работе «Замечания о силах неживой природы». Более того, учёный нашёл и соотношение между количеством работы и количеством теплоты, полученной в результате этой работы.

Это же соотношение, независимо от Майера, экспериментально установил английский физик Джеймс Прескотт Джоуль. Результаты оказались такими же, как и у Майера. В разных экспериментах одно и то же количество работы превращалось в одно и то же количество тепла, и наоборот.

В изолированной физической системе энергия никуда не исчезает. Она лишь переходит из одной формы в другую. Так утверждает общий закон сохранения энергии. Он справедлив и для изолированной термодинамической системы. Запас энергии в такой системе также остаётся постоянным. Работа превращается в теплоту, а теплота — в работу.

В результате различных процессов, происходящих в термодинамической системе, начальное и конечное состояния системы отличаются.

Так как внутренняя энергия системы U зависит только от её состояния — давления, объёма и температуры (U = U(P, V, T) ), то изменение энергии ∆U определяется начальным и конечным состоянием системы и не зависит от того, каким образом она перешла из одного состояния в другое.

∆U = U2 —U1.
Внутреннюю энергию термодинамической системы можно изменить, сообщив ей некоторое количество теплоты или совершив над ней работу. Математически связь между количеством теплоты, полученной термодинамической системой, изменением её внутренней энергии и работой, совершённой за счёт этой теплоты математически выглядит так:
∆U = Q — A, или Q = ∆U + A,
где ∆U — изменение внутренней энергии системы при сообщении ей теплоты;
Q — количество теплоты, полученное системой при теплопередаче;
A — работа, совершённая системой против внешних сил.
Это и есть математическое выражение первого закона термодинамики.
Теплота, которую получила термодинамическая система, расходуется на изменение её внутренней энергии и работу, совершённую над внешними телами.

При переходе из начального состояния в конечное термодинамическая система может получать теплоту различными способами. В технической термодинамике положительной считают теплоту, получаемую системой, а отрицательной — теплоту, которую система отдаёт. Общее количество теплоты Q — это алгебраическая сумма всех количеств теплоты, получаемых или отдаваемых системой.

В отличие от теплоты работа, совершённая системой, не является её характеристикой. Она зависит от пути перехода системы из начального состояния в конечное. Поэтому работа характеризует сам процесс перехода.

Частные случаи первого закона термодинамики

Первый закон термодинамики удобно рассматривать на примере изопроцессов для газа.

При изохорном процессе работа не совершается, так как объём газа остаётся постоянным (V = const). Поэтому Q = ∆U.

Изотермический процесс в системе происходит при постоянной температуре (T = const). Следовательно, вся теплота, полученная системой, расходуется на совершение работы. Так как ∆U=0, то Q = A.

Изобарный процесс происходит при постоянном давлении (P = const).Теплота, сообщаемая системе, идёт и на изменение внутренней энергии, и на совершение работы.

Q = ∆U + A
Работа, которую газ совершает при расширении или сжатии, равна A = P·∆V.
Отсюда Q = ∆U + P·∆V.

При адиабатическом процессе нет обмена теплотой с внешней средой. Q = 0, А = -∆U. Это означает, что работа совершается за счёт уменьшения внутренней энергии системы.

Термодинамический цикл

Если термодинамическая система, независимо от того, какие превращения (нагревания, охлаждения, сжатия, расширения, химические превращения и др.) в ней не происходили бы, в конечном счёте возвращается в своё первоначальное состояние, то термодинамический процесс, в результате которого это происходит, называется термодинамическим циклом.

Пример термодинамического цикла — круговорот воды в природе.

Под воздействием солнечных лучей быстро нагревается вода в лужах, образовавшихся после дождя. Растёт её температура, и вода начинает испаряться, при этом увеличиваясь в объёме. Пар поднимается вверх.

Там он остывает, и его объём снова уменьшается. Конденсируясь, пар превращается в облако. Капли дождя падают на землю и снова образуют лужи. Цикл завершается. После этого процесс повторяется снова.

В результате термодинамического цикла в системе всё остаётся по-прежнему, хотя в процессе цикла совершалась работа и выделялась или поглощалась теплота.

Все параметры системы, несмотря на процессы, происходящие в ней, возвращаются в исходное состояние. В этом случае изменения внутренней энергии не происходит.

Следовательно, работа, совершённая системой по замкнутому циклу, равна количеству теплоты.

A = Q, или Q — A = 0,
В замкнутом цикле любая произведённая работа преобразуется в теплоту.
На основе замкнутых циклов построена работа тепловых машин.

Тепловые двигатели

Принцип преобразования внутренней энергии системы в механическую лежит в основе тепловых двигателей. Такой двигатель представляет собой тепловую машину, превращающую тепло в механическую энергию.

Основные части таких двигателей — нагреватель, рабочее тело и охладитель. Очень часто рабочим телом в тепловом двигателе служит газ. Получая теплоту от нагревателя, он расширяется и совершает работу.

Чтобы работа такого двигателя не прекращалась, параметры рабочего тела, в нашем случае газа, после совершения работы возвращаются в первоначальное состояние (газ охлаждается в холодильнике). Далее процесс повторяется сначала. Реальные тепловые машины (двигатели внутреннего сгорания, паровые машины и др.

) работают циклически, повторяя теплопередачу и превращение теплоты в работу. Рабочим телом могут быть пары бензина, водяные пары, воздух, уголь, нефть и др.

Вещество с более высокой температурой находится в резервуаре, который называется нагревателем, а с более низкой — в резервуаре, называемом холодильником.

Для любой тепловой машины очень важна такая величина, как коэффициент полезного действия (КПД). Это отношение количества работы, совершённой двигателем, к количеству теплоты, полученной от нагревателя.

А = QH— QХ,
где QH— количество теплоты, отданное нагревателем рабочему телу;
QХ — количество теплоты, которое рабочее тело отдаёт охладителю.
Так как часть теплоты теряется при передаче, то КПД двигателя всегда меньше единицы.
Наибольший КПД возможен в двигателе Карно.

Вечный двигатель первого рода

Создание двигателя, который мог бы совершать рабóту, превышающую затраченную на её производство энергию, с древних времён было мечтой многих изобретателей.

Вечным двигателем первого рода называют устройство, которое может бесконечно совершать работу, не затрачивая на это энергии. Но согласно первому закону термодинамики термодинамическая система может совершать работу за счёт теплоты, получаемой извне и убыли своей внутренней энергии.

A = Q— ∆U

Если к системе не подводить теплоту, то работу можно совершить только за счёт внутренней энергии. Но в таком случае через некоторое время запас этой энергии иссякнет. Это означает, что нельзя создать такую машину, которая смогла бы работать без подведения энергии извне. Таким образом, вечный двигатель невозможен. Эта также одна из формулировок первого закона термодинамики.

Источник: http://ency.info/materiya-i-dvigenie/termoinamika/372-pervyj-zakon-termodinamiki

Математическая формулировка первого закона термодинамики

Количество теплоты, которое подводится к системе, расходуется на совершение данной системой работы (против внешних сил) и изменение ее внутренней энергии. В интегральном виде:
ΔQ =ΔU+A
гдеΔQ– количество теплоты, которое получает термодинамическая система;ΔU– изменение внутренней энергии рассматриваемой системы; A – работа, которую выполняет система над внешними телами (против внешних сил).
В дифференциальном виде:
δQ = dU+ δA

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

Следует обратить внимание на то, что в формуле элементарное изменение внутренней энергии является полным дифференциаломdU, в отличие от δQ и δA.

Применение первого закона термодинамики к изолированной системе, изотермическому, адиабатическому, изохорному и изобарным процессам. Связь между внутренней энергией и энтальпией.

При изохорном процессеобъем газа не меняется и поэтому работа газа равна нулю. Изменение внутренней энергии равно количеству переданной теплоты:

При изотермическом процессе внутренняя энергия идеального газа не меняется. Все переданное газу количество теплоты идет на совершение работы:

При изобарном процессе передаваемое газу количество теплоты идет на изменение его внутренней энергии и на совершение работы при постоянном давлении.

Qp= ΔU + PΔV; H = ΔU + PΔV; Qp= H

Адиабатный процесс– процесс в теплоизолированной системе. Следовательно, изменение внутренней энергии при адиабатном процессе происходит только за счет совершении работы:

Так как работа внешних сил при сжатии положительна, внутренняя энергия газа при адиабатном сжатии увеличивается, а его температура повышается.При адиабатном расширении газ совершает работу за счет уменьшения своей внутренней энергии, поэтому температура газа при адиабатном расширении понижается.

Закон Гесса и его следствия.
Закон Гесса (закон постоянства суммы теплот реакции) :

Тепловой эффект химической реакции определяется только природой и состоянием исходных веществ и продуктов, но не зависит от промежуточных химических реакций, т.е. от способа перехода от исходного состояния в конечное.

В термохимических расчетах обычно используют ряд следствий из закона Гесса:

1. Тепловой эффект прямой реакции равен по величине и противоположен по знаку тепловому эффекту обратной реакции (закон Лавуазье – Лапласа).

2. Для двух реакций, имеющих одинаковые исходные, но разные конечные состояния, разность тепловых эффектов представляет собой тепловой эффект перехода из одного конечного состояния в другое.

С + О2 ––> СО + 1/2 О2 ΔН1
С + О2 ––> СО2 ΔН2
СО + 1/2 О2 ––> СО2 ΔН3

3. Для двух реакций, имеющих одинаковые конечные, но разные исходные состояния, разность тепловых эффектов представляет собой тепловой эффект перехода из одного исходного состояния в другое.

С(алмаз) + О2 ––> СО2 ΔН1

С(графит) + О2 ––> СО2 ΔН2

С(алмаз) ––> С(графит) ΔН3

4. Тепловой эффект химической реакции равен разности сумм теплот образования продуктов реакции и исходных веществ, умноженных на стехиометрические коэффициенты.

ΔН=∑ΔНпрод.-∑ ΔН исх.

5. Тепловой эффект химической реакции равен разности сумм теплот сгорания исходных веществ и продуктов реакции, умноженных на стехиометрические коэффициенты.

ΔН=∑ΔНсгор.исх.-∑ ΔНсгор.прод.

Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 348;

Источник: https://studopedia.net/2_1271_matematicheskaya-formulirovka-pervogo-zakona-termodinamiki.html

Первое начало термодинамики -объяснение этого закона и практические примеры. :

Такие физические процессы, как теплота и работа, можно объяснить простой передачи энергии от одного тела к другому. В случае с работой речь идет о механической энергии, теплота же предполагает энергию термическую. Передача энергии ведется по законам термодинамики. Главные положения этого раздела физики известны как «начала».

Первое начало термодинамики регулирует и ограничивает процесс передачи энергии в той или иной системе.

Виды энергетических систем

В физическом мире существует два типа энергетических систем. Замкнутая, или закрытая система имеет постоянную массу. В открытой, или незамкнутой системе масса может уменьшаться и увеличиваться в зависимости от процессов, протекающих в этой системе. Большинство наблюдаемых систем являются незамкнутыми.

Исследования в таких системах затруднено множеством случайных факторов, влияющих на достоверность результатов. Поэтому физики изучают явления в замкнутых системах, экстраполируя результаты на открытые, с учетом необходимых поправок.

Энергия изолированной системы

Любая замкнутая система, в которой отсутствует обмен энергией с окружающей средой, является изолированной. Равновесное состояние такой системы определяется показаниями таких величин:

P– давление в системе;
V – объем изолированной системы
T– температура;
n – число молей газа в системе;

как видно, количество тепла и выполненная работа не входят в этот перечень. Закрытая изолированная система не совершает теплообмен и не производит работу. Ее полная энергия остается неизменной.

Изменение энергии системы

При совершении работы или возникновении процесса теплообмена состояние системы изменяется, и изолированной она уже считаться не будет.

Формулировка первого начала термодинамики

Внутренняя энергия замкнутой системы состоит из суммы энергий всех частиц этой системы. Изменить эту энергию можно, только воздействуя на систему извне.

Внутренняя энергия такой замкнутой системы будет увеличиваться либо из-за работы, которая была совершена над системой, или же из-за передачи такой системе определенного количества теплоты.

Уменьшение полной энергии системы будет также зависеть от двух факторов – либо она отдаст тепло, либо совершит какую-либо работу.

Изменение количества полной энергии можно выразить формулой, которая будет выглядеть так:

Если речь идет о работе, совершенной над системой, то переменная W будет иметь отрицательную величину. Это формула и представляет собой первое начало термодинамики.

Закон сохранения

Этот закон по праву считается одним из фундаментальных законов физики. Теплота и работа являются основными способами передачи энергии, и изменение внутренней энергии системы напрямую зависит от этих величин. Таким образом, первый закон термодинамики является видоизмененным законом сохранения энергии.

Прежде всего первое начало термодинамики было выведено для изолированных систем. Позднее было доказано, что закон универсален, и его можно применять к незамкнутым системам, если правильно учитывать изменение внутренней энергии, происходящее из-за колебания количества вещества в системе.

Если рассматриваемая система переходит из состояния А в состояние Б, то работа, совершенная системой W, и количество теплоты Q будут различаться. Различные процессы дают неодинаковые показания этих переменных даже в случае, если в конечном итоге система придет в первоначальное состояние.

Но при этом разница W—Qбудет всегда одна и та же.

Иными словами, если после какого-либо воздействия система пришла в первоначальное состояние, то независимо от типа процессов, учувствовавших в преобразовании такой системы, соблюдается правило W—Q= const.

В некоторых случаях удобнее использовать дифференциальную формулу выражения первого закона. Он выглядит так:dU=dW-dQ
здесь dU— бесконечно малое изменение внутренней энергии
dW— величина, характеризующая бесконечно малую работу системы
dQ— бесконечно малое количество теплоты, переданное данной системе.

Энтальпия

Для более широкого применения первого закона термодинамики вводится понятие энтальпии.
Так называется общее количество полной энергии вещества и произведения объема и давления.
Физическое выражение энтальпии можно представить такой формулой:
H = U + pV
Абсолютное значение энтальпии представляет собой сумму энтальпий всех частей, из которых состоит система.

В количественном выражении эта величина не может быть определена. Физики оперируют лишь разностью энтальпий конечного и начального состояния системы. Ведь при любых расчетах изменения состояния системы выбирают определенный уровень, при котором потенциальная энергия равна нулю. Точно также поступают и при расчете энтальпии. Если применить понятие энтальпии, то первое начало термодинамики для изопроцессов будет выглядеть таким образом:dU=dW-dH

Энтальпия любой системы зависит от внутреннего строения веществ, которые составляют эту систему. Эти показатели, в свою очередь, зависят от строения вещества, его температуры, количества и давления. Для сложных веществ можно вычислить стандартную энтальпию образования, которая равна тому количеству теплоты, которое понадобится для образования моля вещества из простых составляющих. Как правило, величина стандартной энтальпии отрицательная, так как при синтезе сложных веществ в большинстве случаев выделяется теплота.

Первый закон термодинамики в адиабатических процессах

Применение первого начала термодинамики для изопроцессов можно рассмотреть графически.

К примеру, рассмотрим адиабатический процесс, в котором количество теплоты в течение всего времени остается неизменным, то есть Q=const.

Такой изопроцесс протекает в теплоизолированных системах, или за столь короткое время, что система не успевает совершить теплообмен с внешней средой. Медленное расширение газа на диаграмме «объем-давление» описывается такой кривой:

По графику можно обосновать применение первого начала термодинамики к изопроцессам. Поскольку изменения количества теплоты в адиабатическом процессе не происходит, изменение внутренней энергии равно количеству произведенной работы. dU=— dW

Отсюда следует, что внутренняя энергия системы убывает, и температура ее падает.

Примеры адиабатических процессов

Верно и обратное утверждение: понижение давления при отсутствии теплообмена резко повышает температуру системы. Приблизительно так расширяется газ в двигателях внутреннего сгорания. В двигателях Дизеля горючий газ сжимается в 15 раз. Кратковременное повышение температуры позволяет горючей смеси самостоятельно воспламениться.

Можно рассмотреть еще один пример адиабатического процесса – свободное расширение газов. Для этого рассмотрим такую установку, состоящую из двух емкостей:

В первой емкости имеется газ, во второй он отсутствует. Поворачивая кран, мы добьемся того, что газ заполнит весь отведенный ему объем. При достаточной изолированности системы температура газа останется неизменной.

Поскольку газ не выполнял никакой работы, переменная dW=const. Выяснилось, что при прочих равных условиях температура газа при расширении понижается.

Расширение газа происходит неравномерно, поэтому на диаграмме «давление-объем» этот процесс представлен быть не может.

Первое начало термодинамики является универсальным законом, применяющимся во всех обозримых процессах Вселенной. Глубокое понимание причин тех или иных превращений энергии позволяет понимать существующие физические явления и открывать новые законы.

Источник: https://www.syl.ru/article/198929/mod_pervoe-nachalo-termodinamiki—obyyasnenie-etogo-zakona-i-prakticheskie-primeryi

Первый закон термодинамики — формула, формулировка и применение

Определение и понятие

Термодинамика — это раздел физики, который занимается взаимоотношениями между теплом и другими формами энергии. В частности, он описывает, как тепловая энергия преобразуется в другие виды и влияет на материю. Основные принципы термодинамики содержат три закона:

I закон термодинамики гласит, что тепло является формой энергии, поэтому термодинамические процессы подчиняются принципу ее сохранения. Это означает, что тепловая энергия не может быть создана или уничтожена, однако ее можно перенести из одного места в другое и преобразовать в другие виды. Изменение энергии неизолированной термодинамической системы равно разности между количеством теплоты, переданной системе, и работой, совершенной системой над внешними силами.
Второе начало термодинамики гласит, что энтропия любой замкнутой изолированной системы всегда увеличивается. Изолированные системы самопроизвольно эволюционируют в направлении теплового равновесия — состояния максимальной энтропии (мера упорядоченности) системы. Энтропия Вселенной (предельно изолированная система) только увеличивается и никогда не уменьшается. Кратко описать этот простой закон можно так: комната, если её не убирать, со временем неизменно становится более грязной и беспорядочной, даже если постоянно поддерживать ее в чистоте. Когда происходит уборка в помещении, его изолированная система уменьшается, но усилия по очистке приводят к ее увеличению за пределами комнаты, которое превышает потерянную энтропию.
Третье начало термодинамики гласит, что энтропия системы приближается к постоянному значению, когда температура снижается к абсолютному нулю. Предельно изолированная система обычно равна нулю и во всех случаях определяется только количеством различных основных состояний, которые она имеет. В частности, энтропия чистого кристаллического вещества (идеальный порядок) при абсолютной нулевой температуре равна нулю. Это выражение верно, если идеальный кристалл имеет только одно состояние с минимальной энергией.

Эти законы не имеют особого отношения к тому, как и почему происходит теплообмен, что имеет смысл для открытий, которые были сформулированы до того, как атомная теория была полностью принята. Они имеют дело с общей суммой энергетических и тепловых переходов внутри системы и не учитывают специфическую природу теплопередачи на атомном или молекулярном уровне.

Математическое представление

Физики обычно используют единообразные условные обозначения для представления величин в I законе термодинамики. Они выглядят так:

U 1 (или Ui) — начальная внутренняя энергия в начале процесса.
U 2 (или Uf) — конечная внутренняя энергия в конце процесса.
Дельта U = U 2 — U 1 — изменение внутренней энергии (используется в тех случаях, когда особенности начальной и конечной внутренних энергий не имеют значения).
Q — тепло, передаваемое в (Q > 0) или из (Q 0) или в системе (W

Источник: https://nauka.club/fizika/pervyy-zakon-termodinamiki.html

Первый закон термодинамики, теория и примеры

Существует две формы передачи энергии от одних тел к другим — это совершение работы одних тел над другими и передача теплоты. Энергия механического движения может переходить в энергию теплового движения и наоборот.

В таких переходах энергии выполняется закон сохранения энергии. В применении к процессам, рассматриваемым в термодинамике, закон сохранения энергии именуется первым законом (или первым началом) термодинамики.

Этот закон является обобщением эмпирических данных.

Формулировка первого закона термодинамики

Первый закон термодинамики формулируют следующим образом:
Количество теплоты, которое подводится к системе, расходуется на совершение данной системой работы (против внешних сил) и изменение ее внутренней энергии. В математическом виде первый закон термодинамики можно записать в интегральном виде:
где – количество теплоты, которое получает термодинамическая система; – изменение внутренней энергии рассматриваемой системы; A – работа, которую выполняет система над внешними телами (против внешних сил).
В дифференциальном виде первый закон термодинамики записывают как:

где – элемент количества теплоты, который получает система; – бесконечно малая работа, которую выполняет термодинамическая система; – элементарное изменение внутренней энергии, рассматриваемой системы. Следует обратить внимание на то, что в формуле (2) – 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.

Примеры решения задач

Понравился сайт? Расскажи друзьям!

Источник: http://ru.solverbook.com/spravochnik/fizika/pervyj-zakon-termodinamiki/

Первый закон термодинамики. Просто!

В данной статье мы разберемся с первым законом термодинамики. Объясним на простых и понятных примерах, как работает первый закон термодинамики.

Первый закон термодинамики является базовым. Его еще называют первым началом термодинамики. Правильное его понимание позволяет решать множество задач.

Первый закон термодинамики гласит:
Изменение внутренней энергии системы происходит за счет работы и теплоты, переданной системы.
Формулу первого закона термодинамики в большинстве источников записывают так:
ΔU = A + Q
Q – теплота
Данная формулировка для многих не совсем понятна, поэтому давайте рассмотрим более простой для восприятия вариант первого закона термодинамики.
По сути, тот же самый закон можно записать:
Q = ΔU + A

, где ΔU — изменение внутренней энергии.
А — работа

Сам закон в данном случае будет гласить:
Если мы подводим к телу теплоту, то она может тратиться на изменение его внутренней энергии(нагрев) и на совершение работы данным телом(за счет изменения его объема).

Эта самая простая формулировка для восприятия, на наш взгляд.
Чтобы стало еще понятнее, рассмотрим данный закон на простом примере.

У нас есть обычная пустая банка, закрытая пластиковой крышкой.
Если мы подведем к банке тепло, то она начнет нагреваться. В тоже время воздух находящийся в ней при нагревании начнет расширяться и откроет крышку, совершив при этом работу.

Таким образом, то тепло, которое мы подвели к банке, потратиться на изменение её внутренней энергии (банка и воздух в ней нагреются) и совершение работы (откроется крышка).

Как видите, понять первый закон термодинамики достаточно несложно. Если основной физический смысл в том, что энергия не берется из ниоткуда и не исчезает в никуда. Именно поэтому не существует и не может существовать вечного двигателя. Такого двигателя, который смог совершать работу постоянно, не черпая при этом энергию извне.

Для правильного интуитивного восприятия давайте рассмотрим еще одну интересную аналогию. Возьмем вас, как тело, совершающее работу, в виде какого-либо физического труда.
Когда вы совершаете работу, вы расходуете внутреннюю энергию и при этом согреваетесь (повышается температура вашего тела).
То и для вас применима формула ΔU = A + Q,

То есть, за счет того, что вы тратите энергию, которую получили из пищи, вы двигаетесь, совершая работу, и при этом вы также согреваетесь и отдаете тепло своего тела окружающей среде.
Интересный случай первого закона термодинамики — работа холодильника.

Ранее, рассматривая ситуацию с нагреванием банки, мы затрагивали совершение работы при расширении газа. Интересно, что, если за счет нагрева газ расширяется и совершает работу, то совершив работу по сжатию газа, мы получим обратную реакцию — охлаждение.

Цикл работы холодильника таков. По замкнутой системе циркулирует хладагент (специальный газ), циркуляция и давление для сжатия обеспечивается за счет работы компрессора. В месте, где нам нужно получить охлаждение меняется диаметр трубок, по которым циркулирует газ.

За счет того, что газ расширяется, не совершая при этом работы, он забирает тепло из пространства внутри холодильника и далее переносит это тепло в окружающую среду. Отдав тепло окружающей среде, он снова сжимается компрессором, гонится по кругу и цикл повторяется.

Работа двигателя внутреннего сгорания автомобиля также описывается первым законом термодинамики. За счет сгорания топлива в цилиндрах, совершается работа по перемещению поршней и движение автомобиля в конечном итоге.

Также, при работе двигатель нагревается, отдавая тепло окружающей среде. К слову сказать, основная задача многих конструкторов сократить тепловые потери, тем самым увеличив так называемый коэффициент полезного действия. На нем мы подробно останавливаться не будем и оставим тему КПД для будущих статей.

Подводя итог, хочется сказать о важности знания и понимания первого начала термодинамики.
Именно первый закон термодинамики является основополагающим в решение многих задач физики. Очень надеемся, что данный материал оказался для вас интересным и полезным.
Пишите свои вопросы в х, если они у вас остались.

И удачи в учебе!

Если материал был полезен, вы можете отправить донат или поделиться данным материалом в социальных сетях:

Источник: https://reshit.ru/perviy-zakon-termodinamiki-prosto

Первый закон термодинамики. Как рассказать просто о сложном?

Статьи

Линия УМК А. В. Грачева. Физика (7-9)

Линия УМК А. В. Грачева. Физика (10-11) (баз., углубл.)

Линия УМК Г. Я. Мякишева, М.А. Петровой. Физика (10-11) (Б)

Линия УМК А. Е. Гуревича. Физика (7-9)

Физика

Термодинамика — раздел физики, в котором изучаются процессы изменения и превращения внутренней энергии тел, а также способы использования внутренней энергии тел в двигателях.

05 июля 2019

Собственно, именно с анализа принципов первых тепловых машин, паровых двигателей и их эффективности и зародилась термодинамика.

Можно сказать, что этот раздел физики начинается с небольшой, но очень важно работы молодого французского физика Николя Сади Карно.

Самым важным законом, лежащим в основе термодинамики является первый закон или первое начало термодинамики. Чтобы понять суть этого закона, для начала, вспомним что называется внутренней энергией.

ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ тела — это энергия движения и взаимодействия частиц, из которых оно состоит. Нам хорошо известно, что внутреннюю энергию тела можно изменить, изменив температуру тела.

А изменять температуру тела можно двумя способами:

совершая работу (либо само тело совершает работу, либо над телом совершают работу внешние силы);
осуществляя теплообмен — передачу внутренней энергии от одного тела к другому без совершения работы.

Нам, также известно, что работа, совершаемая газом, обозначается Аг, а количество переданной или полученной внутренней энергии при теплообмене называется количеством теплоты и обозначается Q. Внутреннюю энергию газа или любого тела принято обозначать буквой U, а её изменение, как и изменение любой физической величины, обозначается с дополнительным знаком Δ, то есть ΔU.

Сформулируем ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ для газа. Но, прежде всего, отметим, что когда газ получает некоторое количество теплоты от какого-либо тела, то его внутренняя энергия увеличивается, а когда газ совершает некоторую работу, то его внутренняя энергия уменьшается. Именно поэтому первый закон термодинамики имеет вид:

ΔU = Q — Aг
Так как работа газа и работа внешних сил над газом равны по модулю и противоположны по знаку, то первый закон термодинамики можно записать в виде:
ΔU = Q + Aвнеш.
Понять суть этого закона довольно просто, ведь изменить внутреннюю энергию газа можно двумя способами: либо заставить его совершить работу или совершить над ним работу, либо передать ему некоторое количество теплоты или отвести от него некоторое количество теплоты.

2. Первый закон термодинамики в процессах

Применительно к изопроцессам первый закон термодинамики может быть записан несколько иначе, учитывая особенности этих процессов. Рассмотрим три основных изопроцесса и покажем, как будет выглядеть формула первого закона термодинамики в каждом из них.

Изотермический процесс — это процесс, происходящий при постоянной температуре. С учётом того, что количество газа также неизменно, становится ясно, что так как внутренняя энергия зависит от температуры и количества газа, то в этом процессе она не изменяется, то есть U = const, а значит ΔU = 0, тогда первый закон термодинамики будет иметь вид: Q = Aг.
Изохорный процесс — это процесс, происходящий при постоянном объёме. То есть в этом процессе газ не расширяется и не сжимается, а значит не совершается работа ни газом, ни над газом, тогда Аг = 0 и первый закон термодинамики приобретает вид: ΔU = Q.
Изобарный процесс — это процесс, при котором давление газа неизменно, но и температура, и объём изменяются, поэтому первый закон термодинамики имеет самый общий вид: ΔU = Q — Аг.
Адиабатный процесс — это процесс, при котором теплообмен газа с окружающей средой отсутствует (либо газ находится в теплоизолированном сосуде, либо процесс его расширения или сжатия происходит очень быстро). То есть в таком процессе газ не получает и не отдаёт количества теплоты и Q = 0. Тогда первый закон термодинамики будет иметь вид: ΔU = —Аг.

3. Применение

Первое начало термодинамики (первый закон) имеет огромное значение в этой науке. Вообще понятие внутренней энергии вывело теоретическую физику 19 века на принципиально новый уровень.

Появились такие понятия как термодинамическая система, термодинамическое равновесие, энтропия, энтальпия.

Кроме того, появилась возможность количественного определения внутренней энергии и её изменения, что в итоге привело учёных к пониманию самой природы теплоты, как формы энергии.

Ну, а если говорить о применении первого закона термодинамики в каких-либо задачах, то для этого необходимо знать два важных факта. Во-первых, внутренняя энергия идеального одноатомного газа равна: а во-вторых, работа газа численно равна площади фигуры под графиком данного процесса, изображённого в координатах p—V. Учитывая это, можно вычислять изменение внутренней энергии, полученное или отданное газом количество теплоты и работу, совершённую газом или над газом в любом процессе. Можно также определять коэффициент полезного действия двигателя, зная какие процессы в нём происходят.

4. Методические советы учителям

Обязательно обратить внимание учащихся на знаки работы газа, количества теплоты и изменения внутренней энергии и научить их по графику процесса в координатах р—V определять эти знаки, для чего удобно использовать подобную таблицу:
Лучше всего, рассмотреть не только сам вид первого закона термодинамики в различных процессах, но и способы расчёта всех входящих в него величин.
Обязательно на конкретных примерах, как числовых, так и графических, показать применение первого закона термодинамики.
Уделить особое внимание процессу, в котором давление линейно зависит от объёма — с графиками и примерами применения к этому процессу первого закона термодинамики.
Показать примеры на расчёт коэффициента полезного действия по графику циклического процесса с применением первого закона термодинамики и формул работы газа и изменения его внутренней энергии.

#ADVERTISING_INSERT#

Источник: https://rosuchebnik.ru/material/pervyy-zakon-termodinamiki/

Первый закон термодинамики

Главная
Справочник
Законы
Законы термодинамики
Первый закон термодинамики

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:
[ Delta Q=Delta U+A qquad (1), ]
где ( Delta Q ) – количество теплоты, которое получает термодинамическая система; ( Delta U ) – изменение внутренней энергии рассматриваемой системы; A – работа, которую выполняет система над внешними телами (против внешних сил).
Первый закон термодинамики в дифференциальном виде:
[ delta Q=dU+delta A qquad (2), ]

где ( delta Q ) – элемент количества теплоты, который получает система; ( delta A ) – 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 ( delta Q ) и ( delta A ).

В то случае, если система вернулась в первоначальное состояние, то изменение ее внутренней энергии будет равно нулю:
[Delta U=0 qquad (3)]
В таком случае в соответствии с первым законом термодинамики мы имеем:
[Delta Q=A qquad (4)]

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.

Если материал понравился Вам и оказался для Вас полезным, поделитесь им со своими друзьями!

Источник: https://calcsbox.com/post/pervyj-zakon-termodinamiki.html

Урок 24. первый закон термодинамики — Физика — 10 класс — Российская электронная школа

ВАЖНО!
Закон сохранения энергии, записанный применительно к термодинамической системе, выглядит следующим образом:
$Q = {A}' + Delta U$,
где $Q$ – количество теплоты, переданное системе;
${A}'$ – работа системы (газа);
$Delta U$ – изменение внутренней энергии системы (газа).

Сообщенное системе количество теплоты расходуется на совершение системой работы против внешних сил и изменение внутренней энергии системы.к системе тела, то работа газа считается отрицательной, работа внешних тел положительной и $A = – {A}'$.

Тогда первый закон термодинамики лучше написать в виде $Delta U = Q + A$.
Применение первого закона термодинамики к изопроцессам:
– изотермический процесс, $T = const$.
$Delta T = 0; Delta U = 0, Q = {A}'$.
– изохорный процесс, $V = const$.
$Delta V = 0; {A}' = 0$.
$Q = Delta U$.
$Delta U = frac{3}{2} frac{m}{M}R Delta T$.
– изобарный процесс, $p = const$.
${A}' > 0, Delta V = 0;$
$Q = Delta U + {A}'$/
$Q = frac{5}{2} frac{m}{M} R Delta T$
Используя уравнение Менделеева–Клапейрона, получим
$
u R(T_2 — T_1) = P(V_2 — V_1) = P cdot Delta V$;
Подстановка в уравнение первого закона термодинамики для количества теплоты дает
$Q = Delta U + {A}' = frac{3}{2}
u R(T_2 — T_1) + P cdot Delta V = frac{3}{2} P cdot Delta V + P cdot Delta V = frac{5}{2} P cdot Delta V = frac{5}{2}
u R(T_2 — T_1) = frac{5}{2}
u R Delta T$

Адиабатный процесс – процесс, протекающий без теплообмена, т.е. $Q = 0$.

Тогда система может совершать работу либо за счёт уменьшения внутренней энергии(газ расширяется) ${A}' = — Delta U$, либо за счёт работы внешних тел над системой(происходит сжатие газа) $A = Delta U$.

Уравнение теплового баланса:

$Q_1 + Q_2 + Q_3 + Q_4 + … + Q_n = 0$

Первый закон термодинамики не определяет направление тепловых процессов. Необратимыми называются такие явления, которые самопроизвольно протекают только в одном направлении; в обратном направлении они протекают только при внешнем воздействии.

Направление термодинамических процессов определяется вторым законом термодинамики. Первый и второй законы термодинамики позволяют сделать заключение о невозможности создания вечного двигателя I и II рода

Лабораторная работа «Определение количества теплоты, полученной газом при его изобарном нагревании»

Источник: https://resh.edu.ru/subject/lesson/4723/main/