Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

37А: Перший закон термодинаміки

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    74411

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    Символ ми використовуємо\(U\) для представлення внутрішньої енергії. Це той самий символ, який ми використовували для представлення механічної потенційної енергії об'єкта. Не плутайте дві різні величини один з одним. У проблемах, питаннях та обговоренні контекст розповість вам, чи\(U\) представляє вона внутрішню енергію або вона являє собою механічну потенційну енергію.

    Ми закінчуємо цей підручник з фізики, коли ми почали його фізичну частину (глава 1 була оглядом математики), з обговоренням збереження енергії. Ще в розділі 2 основна увага приділялася збереженню механічної енергії; тут ми зосереджуємо свою увагу на тепловій енергії.

    У разі деформованої системи можна виконати деяку чисту роботу над системою, не викликаючи зміни її механічної кінетичної енергії\(\frac{1}{2}mv^2+\frac{1}{2}I\omega ^2\) (де\(m\) маса системи,\(v\) швидкість центру мас системи,\(I\) це момент інерції системи, і\(\omega\) - величина кутової швидкості системи). Прикладами такої роботи можуть бути: згинання вішалки, розтягнення гумки, видавлювання грудки глини, стиснення газу, перемішування рідини.

    Коли ви працюєте над чимось, ви передаєте енергію цьому чомусь. Наприклад, розгляньте випадок, коли ви натискаєте на візок, який спочатку знаходиться в стані спокою. Усередині свого тіла ви перетворюєте хімічну потенційну енергію в механічну, яку, штовхаючи візок, ви віддаєте в візок. Після того, як ви натискаєте на нього деякий час, візок рухається, а це означає, що вона має деяку кінетичну енергію. Отже, врешті-решт, візок має деяку кінетичну енергію, яка спочатку була хімічною потенційною енергією, що зберігається у вас. Енергія була передана від вас в візок.

    У випадку з візком, що відбувається з енергією, яку ви передаєте в кошик, зрозуміло. Але як щодо випадку деформованої системи, центр маси якої залишається поставленим? Коли ви працюєте над такою системою, ви передаєте енергію цій системі. Так що ж відбувається з енергією?

    Експериментальним шляхом ми знаходимо, що енергія стає частиною внутрішньої енергії системи. Внутрішня енергія системи збільшується на величину, яка дорівнює виконаній роботі над системою.

    Це збільшення внутрішньої енергії може бути збільшенням внутрішньої потенційної енергії, збільшенням внутрішньої кінетичної енергії або обох. Збільшення внутрішньої кінетичної енергії проявилося б у вигляді підвищення температури.

    Виконання роботи над системою являє собою другий спосіб, який ми розглянули, спричиняючи збільшення внутрішньої енергії системи. Інший шлях полягав в тому, щоб тепло надходило в систему. Той факт, що виконання роботи над системою та/або наявність теплового потоку в цю систему збільшить внутрішню енергію цієї системи, представлений у формі рівняння:

    \[\Delta U=Q+W_{IN}\]

    які ми копіюємо тут для вашої зручності:

    \[\Delta U=Q+W_{IN}\label{37-1}\]

    У цьому рівнянні\(\Delta U\) відбувається зміна внутрішньої енергії системи,\(Q\) це кількість тепла, яке надходить в систему, і\(W_{IN}\) це обсяг роботи, який виконується над системою. Це рівняння називають першим законом термодинаміки. Хіміки зазвичай пишуть його без індексу IN на символі,\(W\) що представляє роботу, виконану в системі. (Індекси\(IN\) є, щоб нагадати нам, що він\(W_{IN}\) являє собою передачу енергії в систему. У конвенції про хімію розуміється, що\(W\) представляє роботу, виконану в системі - не потрібен індекс.)

    Історично фізики і інженери вивчали і розвивали термодинаміку з метою побудови кращого теплового двигуна, такого пристрою, як парова машина, призначена для отримання роботи з тепла. Тобто пристрій, для якого тепло йде і виходить робота. Ймовірно, саме з цієї причини фізики і інженери майже завжди пишуть перший закон як:

    \[\Delta U=Q-W \label{37-2}\]

    де символ\(W\) представляє обсяг роботи, виконаної системою над зовнішнім світом. (Це якраз протилежність хімії конвенції.) Оскільки це курс фізики,\((\Delta U=Q-W)\) це форма, в якій перший закон з'являється на вашому аркуші формул. Я пропоную зробити перший закон максимально чітким, написавши його як\(\Delta U=Q_{IN}-W_{OUT}\) або, ще краще:

    \[\Delta U=Q_{IN}+W_{IN} \label{37-3}\]

    У цій формі рівняння говорить про те, що ви можете збільшити внутрішню енергію системи, змушуючи тепло надходити в цю систему та/або виконуючи роботу над цією системою. Зверніть увагу, що будь-яка з величин в рівнянні може бути від'ємною. Негативне значення\(Q_{IN}\) означає, що тепло фактично витікає з системи. Негативне значення\(W_{IN}\) означає, що робота фактично виконується системою над навколишнім середовищем. Нарешті, негативне значення\(\Delta U\) означає, що внутрішня енергія системи зменшується.

    Знову ж таки, справжня порада тут - використовувати індекси та здоровий глузд. Напишіть Перший закон термодинаміки таким чином, що узгоджується з фактами, що тепло або робота в системі збільшать внутрішню енергію системи, а тепло або робота з системи зменшать внутрішню енергію системи.