1. prawo termodynamiki
wprowadzenie
aby zrozumieć związek między pracą a ciepłem, musimy zrozumieć trzeci, łączący czynnik: zmianę energii wewnętrznej. Energii nie można tworzyć ani niszczyć, ale można ją przekształcać lub przenosić. Energia wewnętrzna odnosi się do całej energii w danym układzie, w tym energii kinetycznej cząsteczek i energii zmagazynowanej we wszystkich wiązaniach chemicznych między cząsteczkami., Z oddziaływaniami ciepła, pracy i energii wewnętrznej, są transfery energii i konwersje za każdym razem, gdy zmiana jest dokonywana w systemie. Jednak podczas tych transferów nie powstaje ani nie traci się energii netto.
prawo termodynamiki
pierwsze prawo termodynamiki mówi, że energia może być przekształcana z jednej formy w drugą za pomocą oddziaływania ciepła, pracy i energii wewnętrznej, ale nie może być wytwarzana ani niszczona, pod żadnym pozorem., Matematycznie jest to reprezentowane jako
\
z
- \(ΔU\) jest całkowitą zmianą energii wewnętrznej systemu,
- \(q\) jest ciepłem wymienianym między Systemem a jego otoczeniem, a
- \(W\) jest pracą wykonywaną przez lub na systemie.
praca jest również równa ujemnemu ciśnieniu zewnętrznemu na układ pomnożonemu przez zmianę objętości:
\
energia wewnętrzna układu zmniejszy się, jeśli system wydziela ciepło lub działa., Dlatego energia wewnętrzna układu wzrasta wraz ze wzrostem ciepła (można to zrobić poprzez dodanie ciepła do układu). Energia wewnętrzna również wzrosłaby, gdyby praca była wykonywana na systemie. Każda praca lub ciepło, które wchodzi lub wychodzi z systemu, zmienia energię wewnętrzną. Ponieważ jednak energia nigdy nie jest wytwarzana ani niszczona (stąd pierwsze prawo termodynamiki), zmiana energii wewnętrznej zawsze jest równa zeru. Jeśli energia jest tracona przez układ, to jest pochłaniana przez otoczenie., Jeśli energia jest absorbowana do układu, to energia ta została uwolniona przez otoczenie:
\
gdzie ΔUsystem jest całkowitą energią wewnętrzną w układzie, a Δusystem jest całkowitą energią otoczenia.,bbc”>
The above figure is a visual example of the First Law of Thermodynamics., Niebieskie kostki reprezentują system, a żółte kółka reprezentują otoczenie wokół systemu. Jeśli energia jest tracona przez układ sześcianu, to jest ona pozyskiwana przez otoczenie. Energia nigdy nie jest tworzona ani niszczona. Ponieważ obszar kostki wskazówki zmniejszył obszar wizualny żółtego okręgu wzrosła. Symbolizuje to, w jaki sposób energia utracona przez system jest pozyskiwana przez otoczenie. Wpływ różnych otoczenia i zmian w systemie pomagają określić wzrost lub spadek energii wewnętrznej, ciepła i pracy.,v id=”e58a7c820f”>
+ or –
Example \(\PageIndex{1}\)
A gas in a system has constant pressure., Otoczenie wokół systemu traci 62 J ciepła i wykonuje 474 J pracy na systemie. Jaka jest energia wewnętrzna układu?
rozwiązanie
aby znaleźć energię wewnętrzną, ΔU, musimy wziąć pod uwagę zależność między układem a otoczeniem. Ponieważ pierwsze prawo termodynamiki mówi, że energia nie jest wytwarzana ani niszczona, wiemy, że wszystko, co traci otoczenie, zyskuje system. Otoczenie traci ciepło i działa na system. Zatem q i w są dodatnie w równaniu ΔU=q+W, ponieważ układ zyskuje ciepło i wykonuje pracę nad sobą.,
\ &= 536\,j \end{align}\]
przykład \(\PageIndex{2}\)
system ma stałą objętość (ΔV=0), a ciepło wokół systemu wzrasta o 45 J.
- jaki jest znak ciepła (Q) dla systemu?
- co jest równe ΔU?
- Jaka jest wartość energii wewnętrznej układu w dżulach?
rozwiązanie
ponieważ układ ma stałą objętość (ΔV=0), termin-PΔV=0 i praca jest równa zeru. Zatem w równaniu ΔU=q+w w = 0 i ΔU=q. energia wewnętrzna jest równa ciepłu układu., Ciepło otoczenia wzrasta, więc Ciepło systemu maleje, ponieważ ciepło nie jest tworzone ani niszczone. W związku z tym ciepło jest odbierane z układu, co czyni go egzotermicznym i negatywnym. Wartość energii wewnętrznej będzie ujemną wartością ciepła pochłoniętego przez otoczenie.
- ujemny (q<0)
- ΔU=q + (-PΔV) = q + 0 = q
- ΔU = -45J
