Первый закон термодинамики формула – Первый закон термодинамики | Все формулы

Первый закон термодинамики, адиабатический процесс. Закон сохранения энергии при изопроцессах

Тестирование онлайн

  • Первый закон термодинамики. Основные понятия

  • Первый закон термодинамики

Первый закон термодинамики

Первый закон термодинамики - есть закон сохранения энергии: при любых физических взаимодействиях энергия не возникает и не исчезает, а только передается от одних тел другим или превращается из одной формы в другую.

Общая форма закона сохранения и превращения энергии имеет вид

Но изучая тепловые процессы, мы будем рассматривать формулу

Согласно первому закону термодинамики, изменение внутренней энергии термодинамической системы при переходе из одного состояние в другое равно сумме работы, выполненной внешними силами, и количества теплоты, переданной системе извне

Сформулировать первый закон термодинамики можно иначе: количество теплоты, получаемое системой извне при ее переходе из одного состояния в другое, расходуется на повышение внутренней энергии системы и на работу, которую она выполняет против внешних сил

Например, вы кипятите чайник с водой. Количество тепла расходуется на их нагревание (увеличивается энергия частиц, то есть внутренняя энергия системы), а затем происходит приподнимание крышки - это работа, которую выполняет система.

Внешняя работа над системой равна работе системы, но с противоположным знаком

Адиабатический (адиабатный) процесс

Процесс при тепловой изоляции системы от окружающей среды, то есть

Изменение внутренней энергии происходит только за счет работы внешних сил. Или совершаемая системой работа происходит за счет убыли внутренней энергии.

Практически все реальные процессы происходят с теплообменом: адиабатические процессы - это редкое исключение.

Первый закон термодинамики для изопроцессов

При изотермическом процессе температура не изменяется, значит не изменяется внутренняя энергия

Первый закон принимает вид

Все количество теплоты, которую получает газ расходуется на выполнение им работы против внешних сил. Или, если газ сжимается, при этом не изменяется температура, работу выполняют внешние силы, а газ отдает некоторое количество теплоты в окружающую среду.

При изохорном процессе объем не изменяется, значит работа нулевая

Первый закон термодинамики принимает вид

В этом случае

Если газ изохорно охлаждается, его внутренняя энергия уменьшается, и он отдает теплоту в окружающую среду.

При изобарном процессе первый закон термодинамики имеет общий вид

Здесь справедливы формулы

fizmat.by

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


, где ΔU — изменение внутренней энергии.
А — работа
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
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 комментариях, если они у вас остались.
И удачи в учебе!


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

reshit.ru

Первый закон термодинамики

11.4Первый закон термодинамики

Как мы знаем, существует лишь два способа изменения внутренней энергии тела: теплопередача и совершение работы.

Опыт показывает, что эти способы независимы в том смысле, что их результаты складываются. Если телу в процессе теплообмена передано количество теплоты Q, и если в то же время над телом совершена работа A0, то изменение внутренней энергии тела будет равно:

Нас больше всего интересует случай, когда тело является газом. Тогда A0 = A (где A, как всегда, есть работа самого газа). Формула (10) принимает вид: U = Q A, или

Соотношение (11) называется первым законом термодинамики. Смысл его прост: количество теплоты, переданное газу, идёт на изменение внутренней энергии газа и на совершение газом работы.

Напомним, что величина Q может быть и отрицательной: в таком случае тепло отводится от газа. Но первый закон термодинамики остаётся справедливым в любом случае. Он является одним из фундаментальных физических законов и находит подтверждение в многочисленных явлениях и экспериментах.

11.5Применение первого закона термодинамики к изопроцессам

Напомним, что в изопроцессе остаётся неизменным значение некоторой величины, характеризующей состояние газа температуры, объёма или давления. Для каждого вида изопроцессов запись первого закона термодинамики упрощается.

1.Изотермический процесс, T = const.

Внутренняя энергия идеального газа зависит только от его температуры. Если температура газа не меняется, то не меняется и внутренняя энергия: U = 0. Тогда формула (11)

даёт:

Q = A:

Всё подведённое к газу тепло идёт на совершение газом работы.

2.Изохорный процесс, V = const.

Если объём газа остаётся постоянным, то поршень не перемещается, и потому работа газа равна нулю: A = 0. Тогда первый закон термодинамики даёт:

Q = U:

Всё тепло, переданное газу, идёт на изменение его внутренней энергии.

3.Изобарный процесс, p = const.

Подведённое к газу тепло идёт как на изменение внутренней энергии, так и на совершение работы (для которой справедлива формула (9)). Имеем:

Q = U + p V:

studfiles.net

Первый закон термодинамики

Прежде чем мы сформулируем основной закон термодинамики, давайте вспомним основные понятия и определения физической химии. Химические реакции связаны с различными физическими процессами: теплопередачей, поглощением или выделением теплоты, поглощением или излучением света, электрическими явлениями, изменением объема и тому подобное. В химических реакциях происходят связанные физические и химические явления, изучение этой взаимосвязи — основная задача физической химии.

Основные понятия и определения термодинамики

Главное внимание в физической химии уделяется исследованию законов протекания химических процессов, состояния химического равновесия, изучению строения и свойств молекул, что позволяет решать основную задачу физической химии — понимать прохождение химического процесса и его конечный результат. Это дает возможность управлять химическим процессом, то есть обеспечить более быстрое и полное прохождение реакции. Такие важнейшие производственные процессы, как синтез и окисление аммиака, получение серной кислоты, производство этанола из природного газа, крекинг нефти — стали возможными в результате успехов физической химии.

Наиболее важными разделами физической химии являются: химическая термодинамика и химическая кинетика. Каждый раздел имеет свою внутреннюю структуру и довольно часто рассматривается отдельно. Например, в химической термодинамике выделяют следующие подразделения: основные законы, термохимия, учение о растворах, химическую и фазовую равновесие и тому подобное. Как отдельные науки от физической химии отделились коллоидная химия и электрохимия.

Сегодня физическая химия — отдельная дисциплина со своими методами исследования, которая является теоретической базой прикладных химико-технологических дисциплин. Она основана на применении методов квантовой химии, химической термодинамики и химической кинетики.

Термодинамика исторически возникла как учение о тепловых машины. В дальнейшем, когда выяснилось, что ее основные положения имеют принципиальное значение, термодинамика сформировалась в отдельную фундаментальную научную дисциплину, которая изучает взаимные превращения теплоты, работы и различных видов энергии. Термодинамика базируется на экспериментально установленных законах — принципах термодинамики.

Химическая термодинамика применяет положения и законы общей термодинамики для изучения химических явлений. Сегодня применение термодинамических методов для исследования химических реакций помогает выявить реакции в системе возникающие при заданных температуре, давлении и концентрациях, которые могут проходить спонтанно (т.е. без затрат работы извне), выяснить предел спонтанного их прохождения и как надо менять условия, чтобы процесс проходил в нужном направлении и степени. На основе термодинамических методов можно определить также максимальное количество работы, которая может быть получена от системы или минимальное количество работы, которую необходимо затратить извне для осуществления процесса. Вместе с тем термодинамические методы позволяют определить тепловые эффекты различных процессов. Все это имеет большое значение и для теоретического исследования, и для решения задач прикладного характера.

Одним из основных понятий химической термодинамики является понятие термодинамической системы. Система — это тело или группа тел, которые взаимодействуют энергетически, и которые мысленно или физически отделены от тел, которые их окружают. Тела, которые окружают термодинамическую систему, называются внешней или окружающей средой.

Системы классифицируют на изолированные, закрытые и открытые. Изолированная система не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией. Закрытая система обменивается с окружающей средой только энергией. Открытая система обменивается с окружающей средой и веществом, и энергией.

Также системы делятся на гомогенные и гетерогенные. Гомогенная система — это система, внутри которой нет поверхностей, отделяющие одни части системы от других (к примеру, смеси газов). Гетерогенная система — это система, состоящая из двух или нескольких частей, различных по физическим свойствам или химическому составу и отделенных поверхностями распределения (лед и вода, жидкость и ее пары, две жидкости, которые не смешиваются).

Фаза -это гомогенная часть гетерогенной системы, имеет одинаковый состав, физические и химические свойства, отделенная от других частей поверхностью раздела, при переходе через которую происходит скачкообразное изменение ее свойств. Фазы бывают твердые, жидкие и газообразные.

Компонент термодинамической системы — это некоторая вещество, входящее в систему, которую можно выделить из системы и которая может существовать в свободном состоянии.

Состояние термодинамической системы может определяться совокупностью его физических и химических свойств. Все величины, характеризующие любое свойство рассматриваемой системы, называются термодинамическими параметрами. Состояние термодинамической системы, которая состоит из чистого вещества и находится в равновесии, определяется параметрами Р, V, T. Связь между этими параметрами при отсутствии силовых полей в общем виде описывается уравнением f (P, V, T) = 0. Это уравнение называется уравнением состояния. Для определения состояния термодинамической системы при отсутствии каких-либо действий со стороны окружающей среды достаточно задать два параметра. Третий параметр может определяться из уравнения состояния. Заданные параметры называются независимыми параметрами.

Формы обмена энергией: теплота и работа

В химической термодинамике рассматриваются два основных способа обмена энергией между системой и окружающей средой: обмен энергией в виде теплоты и обмен энергией в виде работы. Первый способ обмена энергией осуществляется при непосредственном контакте тел, которые имеют разную температуру. При этом энергия передается от тел с большей температурой к телам с меньшей температурой.

Теплота процесса это энергия, которая передается одним телом другому при их взаимодействии, которая зависит только от температур этих тел, и которая не связана с переносом вещества.

Второй способ обмена энергией обусловлен наличием силовых полей или внешнего давления. При таком обмене термодинамическое тело должно двигаться в силовом поле или под действием внешнего давления изменять свой объем. Такой способ обмена энергией называется передачей энергии в виде работы, а энергия, которая передается одним телом другому при их взаимодействии, не зависит от температуры этих тел и не связана непосредственно с переносом тепла от одного тела к другому, называется работой процесса.

Термодинамическая система при определенных условиях может перейти в состояние, характеризующееся постоянством ее параметров по времени. Такое положение системы называется состоянием равновесия. Состояние системы, при котором отсутствует равновесие, называется неравновесным.

Изменения состояния термодинамической системы, связанные с изменениями ее параметров, называется термодинамическим процессом. Процесс изменения состояния системы может быть равновесным и неравновесным. Равновесным называется процесс, который рассматривается как непрерывная череда равновесных состояний системы. Во всех частях такой системы давление, температура, удельный объем и другие физические свойства одинаковы. Процесс, в котором система проходит через неравновесные состояния, называется неравновесным процессом.

Термодинамические процессы бывают обратимыми и необратимыми. Обратимым является равновесный процесс, если при прохождении его в обратном направлении система приходит в исходное состояние и в окружающей среде при этом не происходит никаких изменений. Процессы, которые не удовлетворяют этому условию, является необратимыми. К ним относятся все неравновесные процессы, а также равновесные процессы, которые допускают обратимость, но с изменением окружающей среды.

Формулировка первого закона термодинамики

Первый закон термодинамики представляет собой постулат, вытекающий из многовекового опыта человечества. Существует несколько формулировок первого закона термодинамики, которые равноценны друг другу и вытекают друг из друга. Первый закон термодинамики непосредственно связан с законом сохранения энергии: в любой изолированной системе запас энергии остается постоянным. Отсюда следует закон эквивалентности различных форм энергии: различные формы энергии переходят друг в друга в строго эквивалентном количестве.

Первый закон термодинамики можно сформулировать так: вечный двигатель первого рода невозможен, то есть невозможно построить машину, которая выполняла бы механическую работу, не тратя на это соответствующего количества энергии.

Еще одна формулировка закона: изменение внутренней энергии системы при переходе из одного состояния в другое равно сумме количества теплоты, подведенной к системе извне и работе внешних сил действующих на нее: ∆U=Q+A

Как уже отмечалось, система может обмениваться энергией с окружающей средой в форме теплоты и работы. Опыт показывает, что изменение внутренней энергии системы равно алгебраической сумме этих двух величин: dU = δQ — δA

Знак «минус» перед величиной работы соответствует рассматриваемому правилу знаков. Выражение часто записывают в виде: δQ = dU + δA

Эти оба выражения являются математическими формами первого закона термодинамики, который можно сформулировать так: теплота, которая поглощается системой, расходуется на изменение внутренней энергии и совершение системой работы.

Для случая, когда единственным видом работы, которую осуществляет система, является работа сил расширения: δQ = dU + PdV.

В термодинамике важное значение имеет свойство системы, которая получила название — теплоемкость. Теплоемкость — это количество предоставленной системе теплоты которая отнесена к наблюдаемому при этом повышении температуры. Различают среднюю и истинную теплоемкости:

Найдем связь между ними

Подставляя значение ΔQ в выражение для С, получим

Теплоемкость, как правило, рассчитывают или на 1 кг вещества (удельная теплоемкость), либо — на 1 моль (молярная). В физической химии используют преимущественно молярные величины.

Для газов существенное значение имеют теплоемкости при постоянном объеме СV и при постоянном давлении СР

При Р = const и Н = U + PV, или U = H-PV, находим dU = dH-PdV и подставляем это значение в формулу для первого закона термодинамики, получаем

  • δQ = dH — PdV + PdV = dH

Итак,

Чтобы найти связь между С Р и С V , надо продифференцировать по температуре выражение Н = U + PV:

Теплоемкость подлежит правилу аддитивности: теплоемкость сложных термодинамических систем равна сумме теплоемкостей их составных частей:

  • С = С1 + С2 + С3 + … + Ск

Зависимость теплоемкости индивидуальных веществ от температуры, как правило, описывают эмпирическим ступенчатым ​​рядом:

Выводы

В данной статье рассмотрены понятия основных величин, используемых в химической термодинамике. Приведена классификация систем и процессов. Введены понятия внутренней энергии, энтальпии, теплоты, работы. Рассмотрены понятия функции состояния системы. Сформулирован первый закон термодинамики и на этом основании выведено уравнение для расчета теплоты и работы в основных термодинамических процессах.

www.polnaja-jenciklopedija.ru

Законы термодинамики

Энергия и ее перевоплощения всегда была одним из самых интересных вопросов, который заботил научный мир. Одновременно с раскрытием закона о сохранении энергии появился и бесконечный интерес к исследованиям в области термодинамики, а также законы термодинамики. Само понятие термодинамика представляет собой теорию тепловых процессов в количественной интерпретации. Несмотря на то, что термодинамика рассматривается как часть молекулярной физики, она рассматривает процессы в большом масштабе, на уровне макроскопических явлений. Исследование процессов на гранях различных масштабов позволяет лучше понимать и объяснять различные процессы, поэтому различные методы имеют места быть.

Основное понятие для изучения в термодинамике это энергия, основные процессы – ее превращение и способы передачи. Большая часть процессов происходит с выделением тепла и, исходя из этого появляется еще один параметр, которого нужно учитывать и носит он название температура. Современная наука термодинамика основана на постулатах, которые появились долгое время тому назад и были подтверждены, так как временем, так и заявлениями различных ученых. Различные законы термодинамики были озвучены известными физиками в конкретных формулировках. Те заявления, которые были достаточно изучены и подтверждены различными заявлениями и стали законами термодинамики.

Всего существует три закона термодинамики, некоторые из них известны в несколько интерпретациях. Понятие закон означает, что явление происходит с определенной регулярностью и без существенных изменений условий. Термодинамические наблюдения можно применять в отношении любого вещества в любом состоянии. Правда обобщенность больше мешает, когда не известны свойства конкретного вещества, так как от его свойств будут зависеть определенные параметры. Это единственный серьезный минус метода термодинамики в изучении отдельных процессов. Недостаток проявляется тем, что приходится тратить больше времени на изучение всей информации о веществе.

Законы термодинамики: первый, второй и третий закон термодинамики

Первый закон термодинамики сформулировал М.В. Ломоносов: Энергия не исчезает и не теряется в никуда, она всего лишь переходит из одного состояния в другое. (Закон известен также как «закон сохранения энергии»).

Второй закон термодинамики известен в несколько интерпретациях: Больцмана, Клаузиуса, Томсона и Кельвина. Первая формулировка принадлежит Клаузиусу, поэтому именно ее необходимо озвучить в первую очередь: Любое холодное тело не способно передавать тепло другому телу с более высокой температурой.

Томсон заявил: «Никакой процесс не может считаться возможным, если для его исполнения требуется тепло другого тела».

Согласно Больцману: «Энергия может превратиться в энное количество тепла, но только в одно направление, так как в обратное направление речь уже только о частичной трансформации».

Кельвин считал что: "Невозможны те процессы, которые должны повторяться и происходить с учетом использования тепла от конкретного тела. Не реально создать тепловой двигатель на основе принципа использования тепла постороннего тела."

Третий закон термодинамики известен также как теорема Нернста, ссылается на то же состояние энтропии, о которой упоминал Больцман при формулировке второго закона термодинамики. «Состояние энтропии будет стремиться к пределу в том случае, когда изменения температуры в системе направлены к нулю. Это происходит, потому что энтропия перестает зависеть от любых других параметров состояния.»

Законы термодинамики и их практическое применение

Термодинамика играет особую роль в различных областях науки и повседневной жизни. Ее закономерности и правила применяются для решения задач в области теплотехники, энергетики, космических исследований, биологии, машиностроении и много других областей. Гораздо проще свершать какие-то новые открытия, когда уже есть общеизвестные и неоспоримые факты. Великие открытия в прошлом всегда продолжают решать задачи человечества, несмотря на наступающий прогресс, потому что он не был бы возможным без всех тех свершений в прошлом.



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

reshit.ru

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 \( \delta A \).

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:

\[\Delta U=0\ \qquad (3)\]

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

\[\Delta Q=A\ \qquad (4)\]

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!

calcsbox.com

Первый закон термодинамики формула | 1 закон термодинамики

      Здравствуйте! Первый закон термодинамики раскрывает связь между тепловой энергией и механической. Он устанавливает, что теплота может превращаться в работу, а работа в теплоту.

      Первый закон термодинамики представляет собой балансовое уравнение изменения энергии в термодинамической системе:

u1-u2 = q + l + a,   (1)

где u1- u2 — изменение удельной внутренней энергии тела; q — удельная теплота, которой обменивается тело с окружающей средой; l — удельная работа, связанная с изменением объема; а — работа немеханического характера.

     Примером работы немеханического характера является работа, связанная с переносом электрического заряда, если система является диэлектриком, с мерой химического сродства при химическом взаимодействии веществ.

     Если в системе не совершается работа немеханического характера, то уравнение первого закона термодинамики принимает вид

u1-u2 = q + l.    (2)

     Таким образом, первый закон термодинамики является частным случаем закона сохранения и превращения энергии.

     Если рабочее тело получает от окружающей среды q теплоты и совершает при этом l работы, то разность между подведенной теплотой и работой выразит изменение удельной внутренней энергии тела:

u2 — u1 = q — l.    (3)

или

q = u2 – u1 + l.      (4)

      Это уравнение является математическим выражением первого закона термодинамики: вся подведенная к рабочему телу теплота идет на изменение его внутренней энергии и на совершение работы.

     Уравнение (4) можно также представить в виде:

q = Cv*(T2-T1) + p*(u2-u1).

     Теплоту, подведенную к телу, принято считать положительной; теплоту, отведенную от тела, — отрицательной. Положительное изменение внутренней энергии тела характеризуется ее увеличением, отрицательное — уменьшением.

     Количественным критерием различных форм движения материи (тепловой, механической, химической и так далее) служит энергия. Таким образом, первый закон термодинамики является частным случаем закона сохранения энергии, если брать термодинамические процессы. В основе закона сохранения и превращения энергии постулат о том, что количество энергии сохраняется при различных превращениях одной формы движения в другую.

      Общий принцип сохранения в природе был сформулирован значительно раньше, а сохраняемость энергии при переходе из одной формы в другую была сформулирована после накопления большого экспериментального объема информации о взаимопревращении энергии. Первый закон термодинамики определяет невозможность создания вечного двигателя первого рода, то есть двигателя, работающего и не заимствующего при этом энергию извне.

     Если система может обмениваться с окружающей средой теплотой и работой, то подводимая к системе теплота Q затрачивается на изменение ее внутренней энергии ∆U и на совершение работы L против внешних сил:

Q = ∆U + L .

Исп. литература: 1) Теплотехника и теплотехническое оборудование предприятий промышленности строительных материалов и изделий, Н.М. Никифорова, под ред. Н.В. Тресковой,  Москва, «Высшая школа», 1981. 2) Теплотехника, Бондарев В.А., Процкий А.Е., Гринкевич Р.Н. Минск, изд. 2-е,"Вышейшая школа", 1976.


teplosniks.ru