Prvi zakon termodinamike je razlaga tega zakona in praktični primeri.

Fizične procese, kot so toplota in delo, lahko razložimo s preprostim prenosom energije iz enega telesa v drugo. V primeru dela gre za mehanska energija Toplota prevzema toplotno energijo. Prenos energije se izvaja po zakonih termodinamike. Glavne točke tega dela fizike so znane kot »začetki«.

Prvi zakon termodinamike ureja in omejuje proces prenosa energije v enem ali drugem sistemu.

Vrste energetskih sistemov

V fizičnem svetu obstajata dve vrsti energetskih sistemov. Zaprti ali zaprti sistem ima konstantno maso. V odprtem ali odprtem sistemu se masa lahko zmanjša in poveča glede na procese, ki se pojavljajo v tem sistemu. Večina opazovanih sistemov je odprta. Raziskave v takih sistemih ovirajo številni naključni dejavniki, ki vplivajo na zanesljivost rezultatov. Fiziki zato preučujejo fenomene v zaprtih sistemih, ekstrapolirajo rezultate na odprte, ob upoštevanju potrebnih popravkov.

Energija izoliranega sistema

Vsak zaprt sistem, v katerem ni izmenjave energije z okoljem, je izoliran. Ravnotežno stanje takega sistema je določeno z navedbami takšnih količin:

• P - tlak sistema;
• V je volumen izoliranega sistema
• T je temperatura;
• n število molov plina v sistemu;

Kot je razvidno, količina toplote in opravljeno delo nista vključena v ta seznam. Zaprti, izolirani sistem ne opravlja izmenjave toplote in ne opravlja dela. Njena celotna energija ostaja nespremenjena.

Energetska sprememba sistema

Ko se opravi delo ali pride do izmenjave toplote, se stanje sistema spremeni in se ne šteje za izolirano.

Formulacija prvega zakona termodinamike

Notranja energija Zaprti sistem je sestavljen iz vsote energij vseh delcev tega sistema. Ta energija se lahko spremeni le z delovanjem na sistem od zunaj. Notranja energija takega zaprtega sistema se bo povečala bodisi zaradi dela, ki je bilo opravljeno na sistemu, bodisi zaradi prenosa določene količine toplote v tak sistem. Zmanjšanje skupne energije sistema bo odvisno tudi od dveh dejavnikov - bodisi oddaja toploto bodisi bo delala.

Sprememba količine celotne energije se lahko izrazi s formulo, ki bo izgledala takole:

Če govorimo o delu na sistemu, potem je spremenljivka W bo negativna. Ta formula predstavlja prvi zakon termodinamike.

Pravo varstva

Ta zakon velja za enega od temeljnih zakonov fizike. Toplota in delo sta glavno sredstvo za prenos energije, sprememba notranje energije sistema pa je neposredno odvisna od teh količin. Tako se spremeni prvi zakon termodinamike ohranjanje energije.

Najprej je bil izveden prvi zakon termodinamike za izolirane sisteme. Kasneje je bilo dokazano, da je zakon univerzalen in ga je mogoče uporabiti za odprte sisteme, če pravilno upoštevamo spremembo notranje energije, ki nastane zaradi nihanja količine snovi v sistemu. Če zadevni sistem preide iz stanja A v stanje B, se bo delo, ki ga opravi sistem W in količina toplote Q , razlikovala. Različni procesi dajejo neenake odčitke teh spremenljivk, tudi če sistem končno pride v prvotno stanje. Toda razlika je W - Q vedno bo isto. Z drugimi besedami, če se je sistem po kakršnem koli vplivu vrnil v prvotno stanje, potem se ne glede na vrsto procesov, ki so vključeni v transformacijo takšnega sistema, upošteva pravilo W - Q = const .

V nekaterih primerih je bolj primerno uporabiti diferencialno formulo za izražanje prvega zakona. Izgleda takole: dU = dW- dQ

tukaj dU - neskončno majhna sprememba notranje energije

dW - vrednost, ki označuje neskončno majhno delovanje sistema

dQ - neskončno majhna količina toplote, prenesena v ta sistem.

Entalpija

Za širšo uporabo prvega zakona termodinamike je uveden koncept entalpije.

To je ime celotne količine celotne energije snovi in ​​produkta volumna in tlaka. Fizični izraz entalpije lahko predstavimo z naslednjo formulo:

H = U + pV

Absolutna vrednost entalpije je vsota entalpij vseh delov, ki sestavljajo sistem.
V kvantitativnem smislu te vrednosti ni mogoče določiti. Fiziki delujejo le z razliko entalpij končnega in začetnega stanja sistema. Konec koncev, za vse izračune, spremembe stanja sistema izberite določeno raven, na kateri potencialne energije enako nič. Podobno delajo tudi pri izračunu entalpije. Če uporabimo koncept entalpije, bo prvi zakon termodinamike za izoprocese videti takole: dU = dW- dH

Entalpija katerega koli sistema je odvisna od notranje strukture snovi, ki sestavljajo ta sistem. Ti kazalniki pa so odvisni od strukture snovi, njene temperature, količine in pritiska. Za kompleksne snovi je mogoče izračunati standardno entalpijo tvorbe, ki je enaka količini toplote, ki je potrebna za tvorbo mole snovi iz enostavnih sestavin. Standardna vrednost entalpije je praviloma negativna, saj se pri sintezi kompleksnih snovi v večini primerov sprosti toplota.

Prvi zakon termodinamike v adiabatnih procesih

Uporabo prvega zakona termodinamike za izoprocese lahko obravnavamo grafično. Na primer, razmislite o adiabatnem procesu, v katerem količina toplote ostane konstantna ves čas, to je Q = const . Tak izoproces poteka v toplotno izoliranih sistemih ali v tako kratkem času, da sistem nima časa za izmenjavo toplote z zunanjim okoljem. Počasna ekspanzija plina v diagramu prostorninskega tlaka je opisana z naslednjo krivuljo:

V skladu z razporedom je mogoče utemeljiti uporabo prvega zakona termodinamike za izoprocese. Ker v adiabatnem procesu ni spremembe v količini toplote, je sprememba notranje energije enaka količini proizvedenega dela. dU = - dW

Iz tega sledi, da se notranja energija sistema zmanjšuje, temperatura pa pade.

Primeri adiabatnih procesov

Nasprotno je tudi res: zmanjšanje tlaka v odsotnosti izmenjave toplote močno poveča temperaturo sistema. Približno se plin širi v motorjih z notranjim zgorevanjem. Pri dizelskih motorjih se gorljivi plin stisne 15-krat. Kratkoročno zvišanje temperature omogoča, da se gorljiva zmes samodejno vžge.

Še en primer adiabatnega procesa lahko obravnavamo - prosto širjenje plinov. V ta namen upoštevajte to namestitev, sestavljeno iz dveh rezervoarjev:

V prvem rezervoarju je plin, v drugem pa ni. Z obračanjem pipe bomo zagotovili, da bo plin zapolnil celotno količino, ki ji je dodeljena. Z zadostno izolacijo sistema bo temperatura plina ostala nespremenjena. Ker plin ni delal, je spremenljivka dW = const . Izkazalo se je, da se temperatura plina med ekspanzijo zmanjšuje. Razširitev plina je neenakomerna, zato tega procesa ni mogoče predstaviti na diagramu tlak-volumen.

Prvi zakon termodinamike je univerzalni zakon, ki velja za vse vidne procese vesolja. Globoko razumevanje vzrokov nekaterih transformacij energije nam omogoča razumevanje obstoječih fizičnih pojavov in odkrivanje novih zakonov.