8.4: Перший закон термодинаміки

Last updated

Oct 25, 2022
Save as PDF
- 8.3: Закон про ідеальний газ
- 8.5: Термоелектричні ефекти

$\newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} }$

$\newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

Ідея енергозбереження була введена в п. 1.3. Більшість обговорень термодинаміки також починаються з тієї ж ідеї. Перший закон термодинаміки - це твердження енергозбереження. Енергія може зберігатися в матеріалі поляризації конденсатора, хімічному потенціалі батареї і в багатьох інших формах. Люди, які вивчають термодинаміку і тепловіддачу, однак, часто роблять деякі кардинальні припущення. Вони класифікують всі процеси перетворення енергії як теплообмін або інші, де основним компонентом останньої є механічна робота. На початку вступних курсів термодинаміки всі форми енергії крім теплопередачі і механічної роботи ігноруються. Зарядка конденсатора, розрядка акумулятора і всі інші процеси перетворення енергії групуються в з механічною роботою при написанні першого закону термодинаміки. Перший закон термодинаміки зазвичай записується як

$\text{(change in int. energy) = (heat in) − (work and other forms)}. \nonumber$

$\Delta \mathbb{U} = \mathbb{Q} - W \label{8.4.2}$

Кожен член рівняння\ ref {8.4.2} має одиниці джоулів. Символ $\mathbb{Q}$ представляє енергію, що подається в систему нагріванням $-W$ , і, з символом мінус, представляє механічну роботу в системі, а також всі інші форми енергії в систему. Величина $\Delta \mathbb{U}$ являє собою зміну внутрішньої енергії системи. У замкнутій системі загальна енергія зберігається. У замкнутій системі енергія або зберігається в системі (наприклад, як потенційна енергія або інша форма внутрішньої енергії), передається в або назовні як тепло, або передається в або назовні як інша форма, така як механічна робота [109, стор. 51].

8.4.1.png — Малюнок $\PageIndex{1}$ : Ілюстрація замкнутих систем, що містять пристрої перетворення енергії.

Як приклад розглянемо замкнуту систему, показану в лівій частині рис. $\PageIndex{1}$ складається з циліндра з поршнем і нагрівачем. Припустимо, циліндр містить фіксований обсяг газу всередині. Припустимо, нагрівач використовується для передачі 100 Дж енергії в поршень за годину, поки поршень змушений залишатися в нерухомому положенні. Через годину внутрішня енергія газу буде на 100 Дж більше, ніж раніше. Знову припустимо, що нагрівач використовується для передачі 100 Дж енергії в газ, але на цей раз припустимо, що поршень дозволяється рухатися, тим самим розширюючи обсяг газу. Через годину внутрішня енергія газу буде вихідною енергією газу, плюс 100 Дж, що подається нагрівачем, і мінус коефіцієнт за рахунок механічної роботи, виробленої поршнем.

Перший закон термодинаміки говорить про дві речі. По-перше, енергія зберігається. По-друге, енергія може накопичуватися, перетворюватися в механічну роботу або перетворюватися в тепло. Ми знаємо, що енергія може бути перетворена і в інші форми, такі як електрична або електромагнітна енергія. Хоча вступні класи термодинаміки зазвичай не роблять цього, ми можемо додати інші пристрої до поршня, як показано на правій частині рис. $\PageIndex{1}$ . Ми можемо включити акумулятор і покласти резистор всередину, щоб перетворити хімічну енергію в електричну енергію, а резистор може нагрівати повітря в поршні. Ми можемо поставити масу і пружину в поршень і перетворити потенційну енергію стисненої пружини в кінетичну енергію, знявши затискач, який утримує пружину стиснутою. У замкнутій системі, коли розглядаються всі процеси перетворення енергії, енергія повинна бути збережена.