1. Hauptsatz der Thermodynamik
Einführung
Um die Beziehung zwischen Arbeit und Wärme zu verstehen, müssen wir einen dritten Verknüpfungsfaktor verstehen: die Veränderung der inneren Energie. Energie kann weder erzeugt noch zerstört, sondern umgewandelt oder übertragen werden. Innere Energie bezieht sich auf die gesamte Energie innerhalb eines bestimmten Systems, einschließlich der kinetischen Energie von Molekülen und der Energie, die in allen chemischen Bindungen zwischen Molekülen gespeichert ist., Mit den Wechselwirkungen von Wärme, Arbeit und innerer Energie gibt es jedes Mal Energieübertragungen und-umwandlungen, wenn eine Änderung an einem System vorgenommen wird. Bei diesen Übertragungen wird jedoch keine Nettoenergie erzeugt oder verloren.
Hauptsatz der Thermodynamik
Der erste Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass Energie unter Wechselwirkung von Wärme, Arbeit und innerer Energie von einer Form in eine andere umgewandelt werden kann, aber unter keinen Umständen erzeugt oder zerstört werden kann., Mathematisch wird dies als
\
mit
- \(ΔU\) ist die Gesamtänderung der inneren Energie eines Systems,
- \(q\) ist die Wärme, die zwischen einem System und seiner Umgebung ausgetauscht wird, und
- \(w\) ist die Arbeit, die von oder am System durchgeführt wird.
Arbeit ist auch gleich dem negativen externen Druck auf das System multipliziert mit der Volumenänderung:
\
Die interne Energie eines Systems würde abnehmen, wenn das System Wärme abgibt oder funktioniert., Daher erhöht sich die innere Energie eines Systems, wenn die Wärme zunimmt (dies würde durch Hinzufügen von Wärme in ein System erfolgen). Die innere Energie würde auch zunehmen, wenn an einem System gearbeitet würde. Jede Arbeit oder Wärme, die in oder aus einem System geht verändert die innere Energie. Da Energie jedoch niemals erzeugt oder zerstört wird (also der erste Hauptsatz der Thermodynamik), ist die Änderung der inneren Energie immer gleich Null. Wenn Energie vom System verloren geht, wird sie von der Umgebung absorbiert., Wenn Energie in ein System absorbiert wird, dann wurde diese Energie von der Umgebung freigesetzt:
\
wobei ΔUsystem die gesamte innere Energie in einem System ist und δusurroundingsist die Gesamtenergie der Umgebung.,bbc“>
The above figure is a visual example of the First Law of Thermodynamics., Die blauen Würfel repräsentieren das System und die gelben Kreise repräsentieren die Umgebung um das System herum. Wenn Energie durch das Würfelsystem verloren geht, wird sie von der Umgebung gewonnen. Energie wird niemals erzeugt oder zerstört. Da die Fläche des Clue-Würfels abnahm, vergrößerte sich die visuelle Fläche des gelben Kreises. Dies symbolisiert, wie Energie, die durch ein System verloren geht, von der Umgebung gewonnen wird. Die Auswirkungen verschiedener Umgebungen und Änderungen auf ein System tragen dazu bei, die Zunahme oder Abnahme von innerer Energie, Wärme und Arbeit zu bestimmen.,v id=“e58a7c820f“>
+ or –
Example \(\PageIndex{1}\)
A gas in a system has constant pressure., Die Umgebung um das System verliert 62 J Wärme und macht 474 J Arbeit auf das System. Was ist die innere Energie des Systems?
Lösung
Um die innere Energie ΔU zu finden, müssen wir die Beziehung zwischen dem System und der Umgebung berücksichtigen. Da der Erste Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass Energie weder erzeugt noch zerstört wird, wissen wir, dass alles, was durch die Umgebung verloren geht, vom System gewonnen wird. Die Umgebung verliert Wärme und arbeitet am System. Daher sind q und w in der Gleichung ΔU=q+w positiv, da das System Wärme gewinnt und Arbeit an sich selbst erledigt.,
\ &= 536\,J \end{align}\]
Example \(\paeindex{2}\)
Ein System hat ein konstantes Volumen (ΔV=0) und die Wärme um das System erhöht sich um 45 J.
- Was ist das Vorzeichen für Wärme (q) für das System?
- Was ist ΔU gleich?
- Was ist der Wert der inneren Energie des Systems in Joule?
Lösung
Da das System ein konstantes Volumen hat (ΔV=0), ist der Term-PΔV=0 und die Arbeit gleich Null. Somit ist in der Gleichung ΔU=q+w w=0 und ΔU=q. Die innere Energie ist gleich der Wärme des Systems., Die Umgebungswärme nimmt zu, so dass die Wärme des Systems abnimmt, da Wärme weder erzeugt noch zerstört wird. Daher wird dem System Wärme entzogen, wodurch es exotherm und negativ wird. Der Wert der inneren Energie ist der negative Wert der von der Umgebung absorbierten Wärme.
- negativ (q<0)
- ΔU=q + (-PΔV) = f+ 0 = f
- ΔU = -45J
