Первый закон термодинамики это: Первый закон термодинамики. Как рассказать просто о сложном?

Первый закон термодинамики, адиабатический процесс. Закон сохранения энергии при изопроцессах

Тестирование онлайн

• Первый закон термодинамики. Основные понятия

• Первый закон термодинамики

Первый закон термодинамики

Первый закон термодинамики — есть закон сохранения энергии: при любых физических взаимодействиях энергия не возникает и не исчезает, а только передается от одних тел другим или превращается из одной формы в другую.

Общая форма закона сохранения и превращения энергии имеет вид

Но изучая тепловые процессы, мы будем рассматривать формулу

Согласно первому закону термодинамики, изменение внутренней энергии термодинамической системы при переходе из одного состояние в другое равно сумме работы, выполненной внешними силами, и количества теплоты, переданной системе извне

Сформулировать первый закон термодинамики можно иначе: количество теплоты, получаемое системой извне при ее переходе из одного состояния в другое, расходуется на повышение внутренней энергии системы и на работу, которую она выполняет против внешних сил

Например, вы кипятите чайник с водой. Количество тепла расходуется на их нагревание (увеличивается энергия частиц, то есть внутренняя энергия системы), а затем происходит приподнимание крышки — это работа, которую выполняет система.

Внешняя работа над системой равна работе системы, но с противоположным знаком

Адиабатический (адиабатный) процесс

Процесс при тепловой изоляции системы от окружающей среды, то есть

Изменение внутренней энергии происходит только за счет работы внешних сил. Или совершаемая системой работа происходит за счет убыли внутренней энергии.

Практически все реальные процессы происходят с теплообменом: адиабатические процессы — это редкое исключение.

Первый закон термодинамики для изопроцессов

При изотермическом процессе температура не изменяется, значит не изменяется внутренняя энергия

Первый закон принимает вид

Все количество теплоты, которую получает газ расходуется на выполнение им работы против внешних сил. Или, если газ сжимается, при этом не изменяется температура, работу выполняют внешние силы, а газ отдает некоторое количество теплоты в окружающую среду.

При изохорном процессе объем не изменяется, значит работа нулевая

Первый закон термодинамики принимает вид

В этом случае

Если газ изохорно охлаждается, его внутренняя энергия уменьшается, и он отдает теплоту в окружающую среду.

При изобарном процессе первый закон термодинамики имеет общий вид

Здесь справедливы формулы

Первый закон термодинамики, внутренняя энергия, тепло, работа, энтальпия, энтропия.

1-й закон термодинамики, внутренняя энергия, тепло, работа, энтальпия, энтропия.

Первый закон термодинамики гласит, (4 разные формулировки) что :

Энергия не может быть создана или уничтожена (закон сохранения энергии), она лишь переходит из одного вида в другой в различных физических процессах. Отсюда следует, что внутренняя энергия изолированной системы остается неизменной.

Количество теплоты, полученное системой, идет на изменение ее внутренней энергии и совершение работы против внешних сил.

Изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданной системе и не зависит от способа, которым осуществляется этот переход.

Изменение внутренней энергии неизолированной термодинамической системы равно разности между количеством теплоты, переданной системе, и работой, совершенной системой над внешними силами.

Первый закон термодинами гласит, что энергия не может быть создана или уничтожена. Таким образом, энергия системы (замкнутой) — постоянна. Тем не менее, энергия может быть передана от одного элемента системы другому. Рассмотрим замкнутую систему, изолированную от остальных.

Передача энергии между различными подсистемами в ней может быть описана как :

E₁ = E₂        

где

E

1 = начальная энергия

E₂ = конечная энергия

Внутрення энергия включает :

• Кинетическую энергию движения атомов
• Потенциальную энергию хранящуюся в химических связях
• Гравитационную энергию системы

Первый закон является основой для термодинамической науки и инженерного анализа.

Базируется на возможных типах обмена (энергии), ниже приведены 3 типа систем:

• пред — изолированные системы (isolated systems): отсутствует обмен элементами системы или энергией
• закрытые системы (closed systems): отсутствует обмен элементами системы, но присутствует некоторый обмен энергией
• открытые системы (open systems): возможен обмен как элементами системы, так и энергией

Первый закон термодинамики помогает использовать ключевые концепции внутренней энергии (internal energy)

, тепла (heat), и работы системы (system work). которые широко используются в описании тепловых систем (heat engines).

• Внутренняя энергия ( Internal Energy) — Внутренняя энергия определяется как энергия случайных, находящихся в неупорядченном движении молекул. Энергия молекул находится в диапазоне от высокой, необходимой для движения, до заметной лишь с помощью микроскопа энергии на молекулярном или атомном уровне. Например, у стакана с водой комнатной температы, стоящего на столе нет, на первый взгляд, никакой энергии: ни кинетической, ни потенциальной относительно стола. Но, с помощью микроскопа становится заметна «бурлящая» масса быстро двигающихся молекул. Если выплеснуть воду из стакана, эта микроскопическая энергия не обязательно заметно изменится, когда мы усредним добавленную кинетическую энергию на все молекулы воды.
• Тепло — Тепло может быть определено, как энергия, передаваемая от объекта с более высокой температурой к объекту с менее высокой температурой. Сам по себе объект не обладает «теплом»; соответствующий термин для микроскопической энергии объекта — внутренняя энергия. Внутренняя энергия может увеличиваться путем переноса энергии к объекту от объекта, имеющего температуру выше — этот процесс называется нагревом.
• Работа — Когда работа совершается термодинамической системой (чаще всего это газ, который совершает работу), то работа совершенная газом при постоянном давлении определяется как : W = p dV, где W — работа, p — давление, а dV -изменение объема.
  В случаях когда давление не является постоянным, работа может быть представлена интегральным образом, как площадь поверхности под кривой в координатах давление, объем, которые представляют происходящий процесс.

Изменение внутренней энергии системы равно теплу (добавленному системе) минус работа, совершенная системой

dE = Q — W        

где

dE = изменение внутренней энергии

Q = добавленное тепло

W =работа системы

1й закон не дает информации о характере процесса и не определяет конечного состояния равновесия. Интуитивно мы понимаем, что энергия переходит от объекта с более высокой температурой к объекту с менее высокой температурой. Таким образом, 2й закон нам нужен для получения информации о характере процесса.

Энтальпия —

• это «термодинамический потенциал » используемый в химической термодинамике реакций и не циклических процессов.
• однозначная функция состояния термодинамической системы при независимых параметрах энтропии и давления, связана с внутренней энергией соотношением, приведенным ниже.
• это свойство вещества, указывающее количество энергии, которую можно преобразовать в теплоту.

Энтальпия определяется как:

H = U + PV        

где

H = энтальпия

U = внутренняя энергия

P = давление

V = объем системы

При постоянном давлении изменение энтальпии равно количеству теплоты, подведенной к системе, поэтому энтальпию часто называют тепловой функцией или теплосодержанием. В состоянии термодинамического равновесия энтальпия системы минимальна.

Энтальпия является точно измеряемым параметром, когда определены способы выражения трех других поддающихся точному определению параметров формулы выше.

Энтропия.

Термин «энтропия» — величина, характеризующая степень неопределенности системы.

Однако, в термодинамике это понятие используется для определения связанной энергии системы. Энтропия определяет способность одной системы влиять на другую. Когда объекты пересекают нижнюю границу энергетического уровня необходимого для воздействия на окружающую среду, энтропия возрастает.Энтропия связана со вторым законом термодинамики.

Энтропия (обычно обозначается S), функция состояния термодинамической системы, изменение которой dS в равновесном процессе равно отношению количества теплоты dQ, сообщенного системе или отведенного от нее, к термодинамической температуре Т системы.

в символьном виде записывается, как

dS=(dQ)/T

где

dS — изменение термодинамической системы

dQ — количество теплоты, сообщенное системе

T — термодинамическая температура системы

 

Неравновесные процессы в изолированной системе сопровождаются ростом энтропии, они приближают систему к состоянию равновесия, в котором S максимальна (закон неубывания энтропии).

Для вселенной в целом энтропия возрастает.

Первый закон термодинамики

На рисунке 3.9.1 условно проиллюстрированы энергетические потоки между выделенной термодинамической системой и окружающими телами. В случае, если тепловой поток направлен к термодинамической системе, то некоторая величина Q>0, если же система совершает положительную работу над окружающими ее объектами, то справедливо неравенство A>0.

Рисунок 3.9.1. Обмен энергией между термодинамической системой и окружающими телами в результате теплообмена и совершаемой работы.

Состояние системы меняется, когда происходит процесс ее обмена теплом с окружающими объектами, и она совершает положительную или отрицательную работу. Изменяются макроскопические параметры системы, такие как температура, объем и давление. По причине того, что внутренняя энергия U всецело определяется макроскопическими параметрами, которые характеризуют состояние системы, процессы совершения работы и теплообмена провоцируют изменения внутренней энергии данной системы ΔU.

Определение 1-го закона термодинамики

Первый закон термодинамики представляет собой некое обобщение закона сохранения и превращения энергии для термодинамической системы, и формулируется следующим образом:

∆U=Q-A.

Определение 1

Изменение ΔU внутренней энергии неизолированной термодинамической системы равно разности между количеством теплоты Q, переданной системе, и работой A, совершенной системой над внешними телами.

Формула первого закона термодинамики, зачастую записывается в ином виде: 

Q=∆U+A.

Определение 2

Количество теплоты, полученное системой, идет на изменение ее внутренней энергии и совершение работы над внешними телами.

Первый закон термодинамики представляет из себя, по сути, обобщение опытных фактов. Если руководствоваться им, то можно заявить, что энергия не возникает и не исчезает бесследно, а передается от одной системы к другой, меняя свои формы. Невозможность создания вечного двигателя (perpetuum mobile) первого рода, то есть машины, которая может совершать полезную работу, не потребляя энергию извне и не претерпевая каких-либо изменений во внутренней конструкции агрегата, являлась важным следствием первого закона термодинамики. В подтверждение этого выступает тот факт, что каждая из огромного множества попыток создания такого устройства неизменно заканчивалась неудачей. Реальная машина может совершать положительную работу A над внешними объектами, только получая некоторое количество теплоты Q от окружающих тел или уменьшая ΔU своей внутренней энергии.

Первый закон термодинамики в процессах газов

Первый закон термодинамики может применяться к изопроцессам в газах.

Определение 3

В изохорном процессе, то есть в условиях неизменного объема (V=const), газ не совершает работы, A=0.

В этом случае справедливой будет формула внутренней энергии газа:

Q=∆U=U(T2)-U(T1).

В данном выражении U(T1) и U(T2) представляют внутренние энергии газа в начальном и конечном состояниях. Внутренняя энергия идеального газа зависит лишь от температуры, что исходит из закона Джоуля. При изохорном нагревании газ поглощает тепло (Q>0), чем провоцирует увеличение его внутренней энергии. В условиях охлаждения тепло отдается внешним объектам (Q<0).

Определение 4

В изобарном процессе, предполагающем постоянность значения давления (p=const), работа, совершаемая газом, выражается в виде соотношения:

A=p(V2-V1)=p∆V.

Первый закон термодинамики для изобарного процесса дает: 

Q=U(T2)-U(T1)+p(V2-V1)=∆U+p∆V.

При изобарном расширении Q>0 тепло поглощается газом, и он совершает положительную работу. При изобарном сжатии Q<0 тепло переходит внешним телам. В таком случае A<0. При изобарном сжатии уменьшаются температура газа T2<T1 и значение внутренней энергии ΔU<0.

Определение 5

В изотермическом процессе температура газа не меняет своей величины, следовательно, не изменяется и внутренняя энергия газа, ΔU=0.

Первый закон термодинамики для изотермического процесса выражается соотношением 

Q=A

Теплота Q, приобретенная газом в процессе изотермического расширения, превращается в работу, совершаемую над внешними объектами. И наоборот, изотермическое сжатие приводит к преобразованию уже работы внешних сил, произведенной над газом, в передающееся окружающим телам тепло.

Вместе с изохорным, изотермическим и изобарным процессами в термодинамике нередко исследуют процессы, происходящие в условиях отсутствующего теплообмена с окружающими объектами.

Определение 6

Адиабатическая оболочка – это сосуд с теплонепроницаемыми стенками.

Нужна помощь преподавателя?

Опиши задание — и наши эксперты тебе помогут!

Описать задание Определение 7

Процессы сжатия или расширения газа в подобных емкостях называют адиабатическими.

Рисунок 3.9.2. Модель адиабатического процесса.

Определение 8

В адиабатическом процессе Q=0. По данной причине первый закон термодинамики принимает вид: 

A=–ΔU.

Выходит, что газ производит работу за счет падения значения его внутренней энергии.

Определение 9

Расширение или сжатие газа на плоскости p, V проиллюстрирована кривой, называемой адиабатой.

В процессе адиабатического расширения газом совершается положительная работа A>0, что является причиной понижения значения внутренней энергии ΔU<0. Данное явление провоцирует падение его температуры. Исходя из этого, можно заявить, что величина давления газа при адиабатическом расширении понижается быстрее, чем это происходит в изотермическом (рис. 3.9.3).

Рисунок 3.9.3. Семейства изотерм (красные кривые) и адиабат (синие кривые) идеального газа.

В условиях координат (p, V) выводящееся в термодинамике уравнение адиабатического процесса для идеального газа принимает следующий вид: 

pVγ=const.

Данное выражение, в котором γ=CpCV – показатель адиабаты, Cp и CV – теплоемкости газа в процессах с постоянным давлением и с постоянным объемом, называется уравнением Пуассона. В условиях одноатомного газа γ=53=1,67, двухатомного γ=75=1,4, многоатомного γ=1,33.

Работа газа в адиабатическом процессе выражается через температуры начального T1 и конечного T2 состояний и принимает вид: 

A=CV(T2-T1)

Адиабатический процесс относится к изопроцессам.

В термодинамике важное место занимает физическая величина, называемая энтропией. Изменение энтропии в том или ином квазистатическом процессе эквивалентно некоторому обретенному системой теплу ΔQT. Так как на каждом участке адиабатического процесса ΔQ=0, энтропия в нем не претерпевает изменений.

Любые изопроцессы, в том числе и адиабатические, являются квазистатическими. Промежуточные состояния газа в таких процессах близки к состояниям термодинамического равновесия. Каждая точка, принадлежащая адиабате, описывает равновесное состояние. Однако, процесс, который проводится в адиабатической оболочке, то есть при отсутствующем теплообмене с окружающими объектами, не обязательно удовлетворяет данному условию.

Пример 1

Примером неквазистатического процесса, в котором промежуточные состояния не находятся в состоянии равновесия, служит расширение газа в пустоту. На рисунке 3.9.3 иллюстрируется жесткая адиабатическая оболочка, состоящая из двух разделенных вентилем K сообщающихся емкостей. В изначальном состоянии газом заполнен один из сосудов, в это же время во втором находится лишь вакуум. Открытие вентиля запускает процесс расширения газа. Он заполняет оба сосуда, и устанавливается новое равновесное состояние.

В таком процессе Q=0, по той причине, что исключен теплообмен с окружающими телами, и A=0, так как оболочка недеформируема. Первый закон термодинамики позволяет сказать, что ΔU=0, то есть внутренняя энергия газа не претерпела никаких изменений. Так как внутренняя энергия идеального газа зависит лишь от температуры, температура газа в начальном и конечном состояниях одинакова. Изображающие эти состояния точки на плоскости (p, V) лежат на одной изотерме. Все промежуточные состояния газа не являются равновесными и не могут быть изображены на диаграмме.

Пример 2

Расширение газа в пустоту – пример необратимого процесса. Его нельзя провести в противоположном направлении.

Рисунок 3.9.4. Расширение газа в пустоту.

просто и понятно о его применении в физике

Определение

Формула

Процессы

Закон для изохорного процесса

Закон для для изобарного процесса

Практическое применение

Видео

Определение

Простая формулировка первого закона термодинамики может звучать примерно так: изменение внутренней энергии той или иной системы возможно исключительно при внешнем воздействии. То есть другими словами, чтобы в системе произошли какие-то изменения необходимо приложить определенные усилия извне. В народной мудрости своеобразным выражением первого закона термодинамики могут служить пословицы – «под лежачий камень вода не течет», «без труда не вытащишь рыбку из пруда» и прочая. То есть на примере пословицы про рыбку и труд, можно представить, что рыбка и есть наша условно закрытая система, в ней не произойдет никаких изменений (рыбка сама себя не вытащит из пруда) без нашего внешнего воздействия и участия (труда).

Интересный факт: именно первый закон термодинамики устанавливает, почему потерпели неудачу все многочисленные попытки ученых, исследователей, изобретателей изобрести «вечный двигатель», ведь его существование является абсолютно невозможным согласно этому самому закону, почему, смотрите абзац выше.

В начале нашей статьи было максимального простое определение первого закона термодинамики, в действительности в академической науке существует целых четыре формулировки сути данного закона:

• Энергия ни откуда не появляется и ни куда не пропадает, она лишь переходит из одного вида в другой (закон сохранения энергии).
• Количество теплоты, полученной системой, идет на совершение ее работы против внешних сил и изменение внутренней энергии.
• Изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданной системе, и не зависит от способа, которым осуществляется этот переход.
• Изменение внутренней энергии неизолированной термодинамической системы равно разности между количеством теплоты, переданной системе, и работой, совершенной системой над внешними силами.

Формула

Формулу первого закона термодинамики можно записать таким образом:

Q = ΔU + A

Количество теплоты Q, передаваемое системе равно суме изменения ее внутренней энергии ΔU и работы A.

Процессы

Также первый закон термодинамики имеет свои нюансы в зависимости от проходящих термодинамических процессов, которые могут быть изохронными и изобарными, и ниже мы детально опишем о каждом из них.

Закон для для изохорного процесса

Изохорным процессом в термодинамике называют процесс, происходящий при постоянном объеме. То есть, если будь-то в газе или жидкости нагреть вещество в сосуде, произойдет изохорный процесс, так как объем вещества останется неизменным. Это условие имеет влияние и на первый закон термодинамики, проходящий при изохорном процессе.

В изохорном процессе объем V является константой, следовательно, газ работы не совершает A = 0

Из этого выходит следующая формула:

Q = ΔU = U (T2) – U (T1).

Здесь U (T1) и U (T2) – внутренние энергии газа в начальном и конечном состояниях. Внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры (закон Джоуля). При изохорном нагревании тепло поглощается газом (Q > 0), и его внутренняя энергия увеличивается. При охлаждении тепло отдается внешним телам (Q < 0).

Закон для для изобарного процесса

Аналогично изобарным процессом называется термодинамический процесс, происходящий в системе при постоянном давлении и массе газа. Следовательно, в изобарном процессе (p = const) работа, совершаемая газом, выражается следующим уравнением первого закона термодинамики:

A = p (V2 – V1) = p ΔV.

Изобарный первый закон термодинамики дает:

Q = U (T2) – U (T1) + p (V2 – V1) = ΔU + p ΔV. При изобарном расширении Q > 0 – тепло поглощается газом, и газ совершает положительную работу. При изобарном сжатии Q < 0 – тепло отдается внешним телам. В этом случае A < 0. Температура газа при изобарном сжатии уменьшается, T2 < T1; внутренняя энергия убывает, ΔU < 0.

Практическое применение

Первый закон термодинамике имеет практическое применение к различным процессам в физике, например, позволяет вычислить идеальные параметры газа при разнообразных тепловых и механических процессах. Помимо сугубо практичного применение можно этому закону найти применение и философское ведь что ни говорите, но первый закон термодинамики является выражением одного из самых общих законов природы – закона сохранения энергии. Еще Еклезиаст писал, что ничто ни откуда не появляется и никуда не уходит, все пребывает вечно, постоянно трансформируясь, в этом и кроется вся суть первого закона термодинамики.

Видео

И в завершение нашей статьи вашему вниманию образовательное видео о первом законе термодинамике и внутренней энергии.

Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала Познавайка

При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту [email protected] или в Фейсбук, с уважением автор.

Эта статья доступна на английском – First Law of Thermodynamics.

Первый закон термодинамики. Применение первого закона термодинамики к различным процессам

Первый закон термодинамики — это закон сохранения энергии, распространенный на тепловые явления. Он устанавливает причины, от которых зависит изменение внутренней энергии макроскопического тела.
Если в замкнутой системе действует сила трения, то механическая энергия системы будет уменьшаться. Так, например, уменьшается механическая энергия автомобиля, движущегося по горизонтальной дороге с выключенным двигателем, о чем свидетельствует уменьшение его скорости. При этом наблюдается нагревание трущихся поверхностей, то есть увеличение внутренней энергии. В этом примере механическая энергия системы не сохраняется, часть ее превращается во внутреннюю энергию.
На основании подобных наблюдений и обобщения опытных фактов был сформулирован закон сохранения энергии.
Энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает: количество энергии неизменно, она только переходит из одной формы в другую.
Закон сохранения энергии является фундаментальным законом природы. Он выполняется всегда и везде, применительно к любым явлениям природы, неизвестно ни одного случая, когда бы этот великий закон не соблюдался.
Рассматривая тела в термодинамике, мы считаем, что их механическая энергия постоянна, а изменяется только внутренняя энергия каждого тела. До сих пор мы рассматривали случаи, в которых внутренняя энергия системы изменялась или за счет теплопередачи, или при совершении работы. В реальной жизни внутренняя энергия системы может изменяться одновременно и за счет совершения работы, и за счет теплообмена с окружающими телами.
Первый закон термодинамики  
формулируется именно для таких общих случаев.    Изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил над системой и переданного ей количества теплоты.
Первый закон термодинамики можно записать иначе, вместо работы внешних сил над системой рассматривают работу  системы над внешними силами. Учитывая, что работа внешних сил над системой равна работе системы с противоположным знаком. Получим: количество теплоты, переданное системе, идет на совершение системой работы против внешних сил и на увеличение ее внутренней энергии.
Если система является изолированной, то внешние тела не взаимодействуют с системой, а, значит, работа внешних сил равна нулю, и система не обменивается теплотой с окружающими телами. В этом случае согласно первому закону термодинамики изменение внутренней энергии системы равно нулю. Поэтому внутренняя энергия изолированной системы остается неизменной.
Долгое время ученые предпринимали попытки создания вечного двигателя, то есть такого устройства, которое совершало бы механическую работу только за счет внутренней энергии, не получая энергии извне. Трудно назвать первого автора подобного замысла. Самое раннее описание вечного двигателя найдено у индийского поэта, математика и астронома Ачарья Бхаскары, жившего в 12 веке, в стихотворении, датируемом примерно 1150 годом.
Из первого закона термодинамики следует, что невозможно создание вечного двигателя. Если к системе не поступает энергия, то работа над внешними телами может быть совершена только за счет уменьшения внутренней энергии. После того как внутренняя энергия системы окажется равна нулю, двигатель перестанет работать.
Внутренняя энергия системы тел изменяется при совершении работы против внешних сил и при передаче теплоты другим телам. В каждом состоянии система обладает определенным количеством  внутренней энергии. Работа и количество теплоты не содержатся в теле, а характеризуют процесс изменения его внутренней энергии.
Первый закон термодинамики позволяет делать важные выводы о характере протекающих процессов. Рассмотрим этот закон в применении к различным процессам, при которых одна из физических величин остается неизменной. Для простоты возьмем случай, когда система представляет собой идеальный газ. При изохорном процессе объем газа не меняется, и поэтому работа газа равна нулю.

Изменение внутренней энергии газа согласно первому закону термодинамики равно количеству переданной ему теплоты.
Если системе передается какое-то количество теплоты, то его внутренняя энергия увеличивается, и газ нагревается. Если же система отдает теплоту, то газ охлаждается, и его внутренняя энергия уменьшается.
При изотермическом процессе температура газа не изменяется, значит, не меняется внутренняя энергия идеального газа. 
Согласно первому закону термодинамики, все переданное газу количество теплоты идет на совершение работы газа против внешних сил. Если газ получает тепло, то он совершает положительную работу и при этом расширяется. Если, наоборот, газ отдает тепло окружающим телам, то он совершает отрицательную работу и при этом сжимается, а работа внешних сил над газом положительна.
При изобарном процессе согласно первому закону термодинамики, передаваемое газу количество теплоты идет на изменение его внутренней энергии и на совершение им работы при постоянном давлении. Количество теплоты, переданное системе, равно сумме изменения внутренней энергии и произведению давления газа на изменение объема.
Рассмотрим теперь процесс, протекающий в теплоизолированной системе, которая не получает и не отдает тепла окружающим телам. Такой процесс называют адиабатным.
При адиабатном процессе  по первому закону термодинамики изменение внутренней энергии происходит только за счет совершения работы. 
Если внешние тела совершают над газом положительную работу, например, при сжатии газа его внутренняя энергия увеличивается, соответственно температура газа повышается. И наоборот, если сам газ совершает положительную работу  над внешними телами, то его внутренняя энергия уменьшается и газ охлаждается.
Нагревание воздуха при быстром сжатии используется в дизельных двигателях. Они имеют следующий принцип действия. В цилиндр засасывается атмосферный воздух, который с большой скоростью сжимается. При сжатии температура воздуха в цилиндре сильно повышается. В конце такта сжатия в цилиндр через специальную форсунку впрыскивается жидкое топливо. К этому моменту температура воздуха так велика, что горючее вспыхивает. Двигатели Дизеля имеют больший коэффициент полезного действия, чем обычные, но более массивны и сложны в изготовлении и эксплуатации.
С помощью первого закона термодинамики можно объяснить образование облаков в атмосфере Земли. Нагретый около поверхности Земли воздух поднимается вверх. В верхних слоях атмосферы давление значительно ниже, чем в нижних, поэтому поднявшийся воздух расширяется. Это расширение происходит в условиях, близких к адиабатным и, поэтому, сопровождается сильным охлаждением. В результате водяные пары конденсируются и образуют облака.
Рассмотрим теплообмен внутри системы, состоящей из нескольких тел, имеющих первоначально различные температуры, например, теплообмен между горячей водой в стакане и опущенной в воду холодной ложкой. Будем считать, что система достаточно изолирована от окружающих тел, и ее внутренняя энергия не изменяется. Никакой работы внутри этой системы не совершается. После наступления теплового равновесия, по первому закону термодинамики, увеличение внутренней энергии ложки в стакане будет равно количеству теплоты, отданному водой. Тогда сумма изменений внутренней энергии ложки и воды равна нулю. И сумма количества теплоты, полученного ложкой, и количества теплоты, полученного водой, равна нулю.
Если распространить наши рассуждения на систему, имеющую произвольное число тел, мы получим, что в изолированной системе суммарная внутренняя энергия не меняется. А, значит, и сумма количеств теплоты, полученных и отданных телами изолированной системы, равна нулю. Мы получили уравнение теплового баланса.
Внутренняя энергия идеального газа не изменяется только при изотермическом процессе. При изохорном она изменяется за счет теплообмена, а при изобарном процессе внутренняя энергия газа изменяется как за счет теплопередачи, так и за счет совершения работы. В теплоизолированной системе происходит адиабатный процесс. Изменение энергии системы в этом процессе равно работе внешних сил.

Первый закон термодинамики | Физика

Закон сохранения энергии. К середине XIX в. многочисленные опыты ученых доказали, что механическая энергия никогда не пропадает бесследно. Опускаются гири, вращающие лопасти в сосуде с ртутью, и температура ртути повышается на строго определенное число градусов. Падает молот на кусок свинца, и свинец нагревается тоже вполне определенным образом.

На основании множества подобных наблюдений и обобщения опытных фактов был сформулирован закон сохранения энергии:

Энергия в природе не возникает из ничего в не исчезает: количество энергии неизменно, она только переходит из одной формы в другую.

Закон сохранения энергии управляет всеми явлениями природы и связывает их воедино. Он выполняется абсолютно точно: не известно ни одного случая, когда бы этот закон не выполнялся.

Этот закон был открыт а середине XIX в. немецким ученым, врачом по образованию, Р. Майером (1814-1878), английским ученым Д. Джоулем (1818-1889) и получил наиболее полную формулировку в трудах немецкого ученого Г. Гельмгольца (1821-1894).

Первый закон термодинамики. Закон сохранения и превращения энергии, распространенный на тепловые явления, носит название первого закона термодинамики.

В термодинамике рассматриваются тела, положение центра тяжести которых практически не изменяется. Механическая энергия тел остается постоянной, изменяться может лишь внутренняя энергия.

До сих пор мы рассматривали процессы, в которых внутренняя энергия системы менялась либо за счет совершения работы, либо за счет теплообмена с окружающими телами. В общем случае при переходе системы из одного состояния в другое внутренняя энергия будет меняться одновременно как за счет совершения работы, так и за счет передачи теплоты. Первый закон термодинамики формулируется именно для таких общих случаев:

Изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе:

ΔU = A + Q (4.10)

Первый закон термодинамики (4.10) связывает изменение внутренней энергии с изменением макроскопических параметров V и T, так как через изменения этих параметров выражается работа и количество теплоты.

В частном случае изолированной системы над ней не совершается работа (A = 0), и она не обменивается теплотой с окружающими телами (Q = 0). Согласно первому закону термодинамики в этом случае ΔU = U₂ – U₁ = 0, или U₁ = U₂. Внутренняя энергия изолированной системы остается неизменной (сохраняется).

Часто вместо работы A внешних тел над системой рассматривают работу A’ системы над внешними телами. Учитывая, что A’ = –A (см. §16), первый закон термодинамики (4.10) можно записать так:

Q = ΔU + A’ (4.11)

Количество теплоты, переданное системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы над внешними телами.

Невозможность создания вечного двигателя. Из первого закона термодинамики вытекает невозможность создания вечного двигателя – устройства, способного совершать неограниченное количество работы без затрат топлива или каких-либо других материалов. Если к системе не поступает теплота (Q = 0), то работа A’ согласно (4.11) может быть совершена только за счет убыли внутренней энергии: A’ = –ΔU. После того как запас энергии окажется исчерпанным, двигатель перестанет работать.

Работа и количество теплоты – характеристики процесса изменения энергии. В данном состоянии система всегда обладает определенной внутренней энергией. Но нельзя говорить, что в ней содержится определенное количество теплоты или работы. Как работа, так и количество теплоты являются величинами, характеризующими изменение энергии системы в результате того или иного процесса.

Внутренняя энергия системы может измениться одинаково как за счет совершения системой работы, так и за счет передачи окружающим телам какого-то количества теплоты. Нагретый газ в цилиндре может уменьшить свою энергию. остывая, без совершения работы (рис. 44). Но он может потерять точно такое же количество энергии, перемещая поршень, без отдачи теплоты окружающим телам. Для этого стенки цилиндра и поршень должны быть теплонепроницаемыми (рис. 45).

В дальнейшем на протяжении всего курса физики мы будем знакомиться с различными другими формами энергии, способами их превращения и передачи.

5. Первый закон термодинамики — ЗФТШ, МФТИ

Обобщая полученные результаты рассмотрений способов изменений внутренней энергии, можем записать:

 ΔU=Q+A \boxed { ΔU = Q + A }  — первый закон термодинамики.

По сути, мы видим закон сохранения энергии, записанный для тепловых процессов, но это и есть первый закон термодинамики.

Изменение внутренней энергии термодинамической системы равно сумме полученного  количества теплоты и работы, совершённой над ней окружающими телами.

Можно проиллюстрировать первый закон термодинамики и на другом примере: Если газ заперт в легком цилиндре под поршнем (рис. 10), а цилиндру сообщить количество теплоты QQ, то газ нагреется, увеличив внутреннюю энергию, (теплоёмкостью цилиндра пренебрегаем), его давление увеличится, и он совершит работу над окружающими телами А’А^’.’ = — ΔU , следовательно, система может совершить вполне конечную работу, не превосходящую запаса внутренней энергии системы.

Коротко остановимся на терминологии, используемой при описании тепловых процессов.

Термодинамический процесс называется обратимым, если при совершении его в прямом, а потом в обратном направлении все тела, включая саму систему, вернутся в исходное состояние.

Необходимым и достаточным условием обратимости процесса является равновесность его промежуточных состояний.

Употребляются также термины: равновесный, или квазистатический процессы. Равновесные процессы можно описать графически, неравновесный – невозможно.

Реальные процессы сопровождаются теплообменом, диффузией, трением (необратимыми процессами), следовательно, большинство реальных процессов являются необратимыми.

Круговым процессом (циклом) называют термодинамический процесс, в результате совершения которого система возвращается в исходное состояние. Равновесный круговой процесс можно изобразить графически, при этом график процесса представляет собой замкнутую линию.

В прямом круговом процессе система за цикл совершает положительную работу (см. рис. 11 слева).

В обратном круговом процессе система за цикл совершает отрицательную работу (см. рис. 11 справа).

Что такое первый закон термодинамики?

Первый закон термодинамики гласит, что теплота является формой энергии, и поэтому термодинамические процессы подчиняются принципу сохранения энергии. Это означает, что тепловая энергия не может быть создана или уничтожена, согласно Britannica. Однако его можно перемещать из одного места в другое и преобразовывать в другие формы энергии и из них.

Термодинамика — это раздел физики, изучающий взаимосвязь между теплотой и другими формами энергии.В частности, он описывает, как тепловая энергия преобразуется в другие формы энергии и из них, и как это влияет на материю. Фундаментальные принципы термодинамики выражены в четырех законах.

«Первый закон гласит, что внутренняя энергия системы должна быть равна работе, совершаемой над системой, плюс или минус теплота, втекающая в систему или выходящая из нее, и любая другая работа, совершаемая над системы», — сказал Live Science Сайбал Митра, профессор физики Университета штата Миссури.«Итак, это новое заявление о сохранении энергии».

«Изменение внутренней энергии системы представляет собой сумму всех энергетических входов и выходов в систему и из нее, подобно тому, как все ваши депозиты и снятия определяют изменения в вашем банковском балансе», — сказал Митра.

Математически это выражается следующим образом: Δ U = Q — Вт , где Δ U — изменение внутренней энергии, Q — теплота, подводимая к системе, а Вт — работа, проделанная системой, согласно Britannica.

История первого закона термодинамики

Ученые в конце 18-го и начале 19-го веков придерживались теории теплоты, впервые предложенной Антуаном Лавуазье в 1783 году и получившей дальнейшее развитие в работах Сади Карно в 1824 году, согласно данным American Physical Общество. Эта научная теория рассматривала тепло как своего рода жидкость, которая естественным образом перетекает из горячих областей в холодные, подобно тому, как вода течет из высоких мест в низкие. Когда эта теплотворная жидкость перетекала из горячей области в холодную, ее можно было преобразовать в кинетическую энергию и заставить выполнять работу так же, как падающая вода приводит в движение водяное колесо.По данным Университета Вирджинии, только когда Рудольф Клаузиус опубликовал «Механическую теорию тепла» в 1867 году, теория калорий была окончательно положена в конец.

Термодинамические системы

Энергию можно разделить на две части, сказал Дэвид Макки, профессор физики Южного государственного университета Миссури. Одним из них является наш макроскопический вклад в человеческом масштабе, такой как поршень, движущийся и толкающий систему газа. Остальное состоит из вещей, которые происходят в очень маленьком масштабе, где мы не можем отследить вклад каждого отдельного человека.

«Когда я ставлю два образца металла друг против друга, и атомы гремят на границе, и два атома отскакивают друг от друга, и один из них отрывается быстрее другого, я не могу уследить Это происходит в очень небольшом временном масштабе и на очень небольшом расстоянии, и это происходит много-много раз в секунду», — сказал Макки в интервью Live Science. «Итак, мы просто делим всю передачу энергии на две группы: то, что мы собираемся отслеживать, и то, что мы не собираемся отслеживать.Последнее из них и есть то, что мы называем теплом».

Термодинамические системы обычно рассматриваются как открытые, закрытые или изолированные. Согласно Университету Калгари, открытая система свободно обменивается энергией и веществом с окружающей средой, закрытая система обменивается энергией , а не материя, со своим окружением, а изолированная система не обменивается ни энергией, ни веществом со своим окружением, например, кастрюля с кипящим супом получает энергию от плиты, излучает тепло от кастрюли и испускает вещество в виде пар, который также уносит тепловую энергию.Это будет открытая система. Если мы накроем кастрюлю плотно крышкой, она по-прежнему будет излучать тепловую энергию, но в идеале больше не будет выделять материю в виде пара. Это будет закрытая система. Однако, если бы мы налили суп в идеально изолированный термос и запечатали крышку, в систему не попало бы ни энергии, ни материи. Это будет изолированная система.

Однако на практике идеально изолированные системы не могут существовать. Все системы передают энергию окружающей среде независимо от того, насколько хорошо они изолированы.Суп в термосе будет оставаться горячим всего несколько часов и на следующий день достигнет комнатной температуры. В другом примере белые карлики, горячие остатки сгоревших звезд, которые больше не производят энергию, могут быть изолированы световыми годами почти идеального вакуума в межзвездном пространстве, но в конечном итоге они остынут с нескольких десятков тысяч градусов. почти до абсолютного нуля из-за потерь энергии на излучение. Хотя этот процесс занимает больше времени, чем нынешний возраст Вселенной, остановить его невозможно.

Тепловые двигатели

Наиболее распространенным практическим применением первого закона является тепловой двигатель. Тепловые двигатели преобразуют тепловую энергию в механическую и наоборот. Большинство тепловых двигателей относятся к категории открытых систем. По данным Университета штата Джорджия, основной принцип работы тепловой машины использует взаимосвязь между теплом, объемом и давлением рабочей жидкости (любого вещества, которое течет), обычно газа. Примеры рабочих жидкостей включают пар в паровой машине и гидрофторуглероды в холодильных системах.

При нагревании газ расширяется; однако, когда этот газ не расширяется, его давление увеличивается. Если нижняя стенка камеры удержания представляет собой верхнюю часть подвижного поршня, это давление оказывает силу на поверхность поршня, заставляя его двигаться вниз. Затем это движение можно использовать для выполнения работы, равной общей силе, приложенной к верхней части поршня, умноженной на расстояние, на которое перемещается поршень.

Существует множество вариантов базовой тепловой машины.Например, паровые двигатели полагаются на внешнее сгорание для нагрева бака котла, содержащего рабочее тело, обычно воду. Вода преобразуется в пар, а затем давление используется для привода поршня, который преобразует тепловую энергию в механическую. Автомобильные двигатели, однако, используют внутреннее сгорание, при котором жидкое топливо испаряется, смешивается с воздухом и воспламеняется внутри цилиндра над подвижным поршнем, толкая его вниз, согласно Университету Оклахомы.

Холодильники, кондиционеры и тепловые насосы

Холодильники и тепловые насосы представляют собой тепловые двигатели, преобразующие механическую энергию в тепло.Большинство из них относятся к категории закрытых систем. При сжатии рабочего тела или газа его температура повышается. Затем этот горячий газ может передавать тепло окружающей среде. Затем, когда сжатому газу дают возможность расшириться, его температура становится ниже, чем до сжатия, потому что часть его тепловой энергии была удалена во время горячего цикла. Затем этот холодный газ может поглощать тепловую энергию из окружающей среды. По данным Бостонского университета, это принцип работы кондиционера.Кондиционеры на самом деле не производят холод; они отводят тепло.

Механический насос перекачивает рабочую жидкость наружу, где она нагревается за счет сжатия. Затем тепло передается во внешнюю среду, обычно через теплообменник с воздушным охлаждением, в котором часто используется электрический вентилятор для отвода тепла в окружающую среду. Затем рабочая жидкость возвращается в помещение, где ей дают возможность расшириться и охладиться, чтобы она могла поглощать тепло из воздуха в помещении через другой теплообменник.

Тепловой насос — это просто кондиционер, работающий в обратном направлении.Тепло от сжатого рабочего тела используется для обогрева здания. Затем он переносится наружу, где расширяется и становится холодным, что позволяет ему поглощать тепло из наружного воздуха, который даже зимой обычно теплее холодного рабочего тела. Рабочая жидкость обычно имеет достаточно низкую температуру замерзания, чтобы продолжать течь даже при очень низких температурах.

Геотермальные или наземные системы кондиционирования воздуха и тепловые насосы используют длинные U-образные трубы в глубоких колодцах или массив горизонтальных труб, заглубленных на большой площади, по которым циркулирует рабочая жидкость, и тепло передается к земле или от нее , по мнению У.С. Министерство энергетики. Другие системы используют речную или океанскую воду для нагрева или охлаждения рабочей жидкости.

Участник Live Science Эшли Хамер обновила эту статью 28 января 2022 г.

Дополнительные ресурсы

Вот еще три объяснения первого закона термодинамики: , 1 июня 2021 г. https://www.britannica.com/science/thermodynamics/The-first-law-of-thermodynamics

Институт истории науки, Antoine-Laurent Lavoisier, 11 декабря 2017 г.https://sciencehistory.org/historical-profile/antoine-laurent-lavoisier 

Американское общество инженеров-механиков, «Николя Леонар Сади Карно», 10 апреля 2012 г., https://www.asme.org/topics-resources /content/nicolas-leonard-sadi-carnot 

Рудольф Клаузиус, «Механическая теория тепла». Джон Ван Вурст, 1867 г.

Американское физическое общество, «История физики в этом месяце, декабрь 1840 г.: реферат Джоуля о преобразовании механической энергии в тепло», декабрь 2009 г. https://www.aps.org/publications/apsnews/200912/physicshistory.cfm

Университет Вирджинии, «Обучение теплу: рост и падение теории калорийности», июль 2003 г. http://galileoandeinstein.physics.virginia.edu/more_stuff/ TeachingHeat.htm 

Университет Калгари по энергетическому образованию, «Система и окружающая среда», 27 сентября 2021 г. https://energyeducation.ca/encyclopedia/System_and_surrounding 

Гиперфизический университет Джорджии, «Цикл теплового двигателя», http:// гиперфизика.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/heaeng.html 

Университет Оклахомы Курсы EC, «Термодинамика — Теория». http://www.ecourses.ou.edu/cgi-bin/ebook.cgi?topic=th&chap_sec=08.1&page=theory

Бостонский университет, «Тепловые двигатели и второй закон», 10 декабря 1999 г. http:// physics.bu.edu/~duffy/py105/Heatengines.html 

Министерство энергетики США, «Геотермальные тепловые насосы». https://www.energy.gov/energysaver/geothermal-heat-pumps

Что такое первый закон термодинамики?

Первый закон термодинамики гласит, что теплота является формой энергии, и поэтому термодинамические процессы подчиняются принципу сохранения энергии.Это означает, что тепловая энергия не может быть создана или уничтожена, согласно Britannica. Однако его можно перемещать из одного места в другое и преобразовывать в другие формы энергии и из них.

Термодинамика — это раздел физики, изучающий взаимосвязь между теплотой и другими формами энергии. В частности, он описывает, как тепловая энергия преобразуется в другие формы энергии и из них, и как это влияет на материю. Фундаментальные принципы термодинамики выражены в четырех законах.

«Первый закон гласит, что внутренняя энергия системы должна быть равна работе, совершаемой над системой, плюс или минус теплота, втекающая в систему или выходящая из нее, и любая другая работа, совершаемая над системы», — сказал Live Science Сайбал Митра, профессор физики Университета штата Миссури. «Итак, это новое заявление о сохранении энергии».

«Изменение внутренней энергии системы представляет собой сумму всех энергетических входов и выходов в систему и из нее, подобно тому, как все ваши депозиты и снятия определяют изменения в вашем банковском балансе», — сказал Митра.

Математически это выражается следующим образом: Δ U = Q — Вт , где Δ U — изменение внутренней энергии, Q — теплота, подводимая к системе, а Вт — работа, проделанная системой, согласно Britannica.

История первого закона термодинамики

Ученые в конце 18-го и начале 19-го веков придерживались теории теплоты, впервые предложенной Антуаном Лавуазье в 1783 году и получившей дальнейшее развитие в работах Сади Карно в 1824 году, согласно данным American Physical Общество.Эта научная теория рассматривала тепло как своего рода жидкость, которая естественным образом перетекает из горячих областей в холодные, подобно тому, как вода течет из высоких мест в низкие. Когда эта теплотворная жидкость перетекала из горячей области в холодную, ее можно было преобразовать в кинетическую энергию и заставить выполнять работу так же, как падающая вода приводит в движение водяное колесо. По данным Университета Вирджинии, только когда Рудольф Клаузиус опубликовал «Механическую теорию тепла» в 1867 году, теория калорий была окончательно положена в конец.

Термодинамические системы

Энергию можно разделить на две части, сказал Дэвид Макки, профессор физики Южного государственного университета Миссури.Одним из них является наш макроскопический вклад в человеческом масштабе, такой как поршень, движущийся и толкающий систему газа. Остальное состоит из вещей, которые происходят в очень маленьком масштабе, где мы не можем отследить вклад каждого отдельного человека.

«Когда я ставлю два образца металла друг против друга, и атомы гремят на границе, и два атома отскакивают друг от друга, и один из них отрывается быстрее другого, я не могу уследить Это происходит в очень небольшом временном масштабе и на очень небольшом расстоянии, и это происходит много-много раз в секунду», — сказал Макки в интервью Live Science.«Итак, мы просто делим всю передачу энергии на две группы: то, что мы будем отслеживать, и то, что мы не будем отслеживать. Последнее из них мы называем теплом».

Термодинамические системы обычно рассматриваются как открытые, закрытые или изолированные. По данным Университета Калгари, открытая система свободно обменивается энергией и веществом с окружающей средой; замкнутая система обменивается с окружающей средой энергией, но не материей; и изолированная система не обменивается энергией или веществом с окружающей средой.Например, кастрюля с кипящим супом получает энергию от плиты, излучает тепло от кастрюли и выделяет вещество в виде пара, который также уносит тепловую энергию. Это будет открытая система. Если мы накроем кастрюлю плотно крышкой, она по-прежнему будет излучать тепловую энергию, но в идеале больше не будет выделять материю в виде пара. Это будет закрытая система. Однако, если бы мы налили суп в идеально изолированный термос и запечатали крышку, в систему не попало бы ни энергии, ни материи.Это будет изолированная система.

Однако на практике идеально изолированные системы не могут существовать. Все системы передают энергию окружающей среде независимо от того, насколько хорошо они изолированы. Суп в термосе будет оставаться горячим всего несколько часов и на следующий день достигнет комнатной температуры. В другом примере белые карлики, горячие остатки сгоревших звезд, которые больше не производят энергию, могут быть изолированы световыми годами почти идеального вакуума в межзвездном пространстве, но в конечном итоге они остынут с нескольких десятков тысяч градусов. почти до абсолютного нуля из-за потерь энергии на излучение.Хотя этот процесс занимает больше времени, чем нынешний возраст Вселенной, остановить его невозможно.

Тепловые двигатели

Наиболее распространенным практическим применением первого закона является тепловой двигатель. Тепловые двигатели преобразуют тепловую энергию в механическую и наоборот. Большинство тепловых двигателей относятся к категории открытых систем. По данным Университета штата Джорджия, основной принцип работы тепловой машины использует взаимосвязь между теплом, объемом и давлением рабочей жидкости (любого вещества, которое течет), обычно газа.Примеры рабочих жидкостей включают пар в паровой машине и гидрофторуглероды в холодильных системах.

При нагревании газ расширяется; однако, когда этот газ не расширяется, его давление увеличивается. Если нижняя стенка камеры удержания представляет собой верхнюю часть подвижного поршня, это давление оказывает силу на поверхность поршня, заставляя его двигаться вниз. Затем это движение можно использовать для выполнения работы, равной общей силе, приложенной к верхней части поршня, умноженной на расстояние, на которое перемещается поршень.

Существует множество вариантов базовой тепловой машины. Например, паровые двигатели полагаются на внешнее сгорание для нагрева бака котла, содержащего рабочее тело, обычно воду. Вода преобразуется в пар, а затем давление используется для привода поршня, который преобразует тепловую энергию в механическую. Автомобильные двигатели, однако, используют внутреннее сгорание, при котором жидкое топливо испаряется, смешивается с воздухом и воспламеняется внутри цилиндра над подвижным поршнем, толкая его вниз, согласно Университету Оклахомы.

Холодильники, кондиционеры и тепловые насосы

Холодильники и тепловые насосы представляют собой тепловые двигатели, преобразующие механическую энергию в тепло. Большинство из них относятся к категории закрытых систем. При сжатии рабочего тела или газа его температура повышается. Затем этот горячий газ может передавать тепло окружающей среде. Затем, когда сжатому газу дают возможность расшириться, его температура становится ниже, чем до сжатия, потому что часть его тепловой энергии была удалена во время горячего цикла.Затем этот холодный газ может поглощать тепловую энергию из окружающей среды. По данным Бостонского университета, это принцип работы кондиционера. Кондиционеры на самом деле не производят холод; они отводят тепло.

Механический насос перекачивает рабочую жидкость наружу, где она нагревается за счет сжатия. Затем тепло передается во внешнюю среду, обычно через теплообменник с воздушным охлаждением, в котором часто используется электрический вентилятор для отвода тепла в окружающую среду. Затем рабочая жидкость возвращается в помещение, где ей дают возможность расшириться и охладиться, чтобы она могла поглощать тепло из воздуха в помещении через другой теплообменник.

Тепловой насос — это просто кондиционер, работающий в обратном направлении. Тепло от сжатого рабочего тела используется для обогрева здания. Затем он переносится наружу, где расширяется и становится холодным, что позволяет ему поглощать тепло из наружного воздуха, который даже зимой обычно теплее холодного рабочего тела. Рабочая жидкость обычно имеет достаточно низкую температуру замерзания, чтобы продолжать течь даже при очень низких температурах.

Геотермальные или наземные системы кондиционирования воздуха и тепловые насосы используют длинные U-образные трубы в глубоких колодцах или массив горизонтальных труб, заглубленных на большой площади, по которым циркулирует рабочая жидкость, и тепло передается к земле или от нее , по мнению У.С. Министерство энергетики. Другие системы используют речную или океанскую воду для нагрева или охлаждения рабочей жидкости.

Участник Live Science Эшли Хамер обновила эту статью 28 января 2022 г.

Дополнительные ресурсы

Вот еще три объяснения первого закона термодинамики: , 1 июня 2021 г. https://www.britannica.com/science/thermodynamics/The-first-law-of-thermodynamics

Институт истории науки, Antoine-Laurent Lavoisier, 11 декабря 2017 г.https://sciencehistory.org/historical-profile/antoine-laurent-lavoisier 

Американское общество инженеров-механиков, «Николя Леонар Сади Карно», 10 апреля 2012 г., https://www.asme.org/topics-resources /content/nicolas-leonard-sadi-carnot 

Рудольф Клаузиус, «Механическая теория тепла». Джон Ван Вурст, 1867 г.

Американское физическое общество, «История физики в этом месяце, декабрь 1840 г.: реферат Джоуля о преобразовании механической энергии в тепло», декабрь 2009 г. https://www.aps.org/publications/apsnews/200912/physicshistory.cfm

Университет Вирджинии, «Обучение теплу: рост и падение теории калорийности», июль 2003 г. http://galileoandeinstein.physics.virginia.edu/more_stuff/ TeachingHeat.htm 

Университет Калгари по энергетическому образованию, «Система и окружающая среда», 27 сентября 2021 г. https://energyeducation.ca/encyclopedia/System_and_surrounding 

Гиперфизический университет Джорджии, «Цикл теплового двигателя», http:// гиперфизика.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/heaeng.html 

Университет Оклахомы Курсы EC, «Термодинамика — Теория». http://www.ecourses.ou.edu/cgi-bin/ebook.cgi?topic=th&chap_sec=08.1&page=theory

Бостонский университет, «Тепловые двигатели и второй закон», 10 декабря 1999 г. http:// physics.bu.edu/~duffy/py105/Heatengines.html 

Министерство энергетики США, «Геотермальные тепловые насосы». https://www.energy.gov/energysaver/geothermal-heat-pumps

Что такое первый закон термодинамики?

Первый закон термодинамики гласит, что теплота является формой энергии, и поэтому термодинамические процессы подчиняются принципу сохранения энергии.Это означает, что тепловая энергия не может быть создана или уничтожена, согласно Britannica. Однако его можно перемещать из одного места в другое и преобразовывать в другие формы энергии и из них.

Термодинамика — это раздел физики, изучающий взаимосвязь между теплотой и другими формами энергии. В частности, он описывает, как тепловая энергия преобразуется в другие формы энергии и из них, и как это влияет на материю. Фундаментальные принципы термодинамики выражены в четырех законах.

«Первый закон гласит, что внутренняя энергия системы должна быть равна работе, совершаемой над системой, плюс или минус теплота, втекающая в систему или выходящая из нее, и любая другая работа, совершаемая над системы», — сказал Live Science Сайбал Митра, профессор физики Университета штата Миссури. «Итак, это новое заявление о сохранении энергии».

«Изменение внутренней энергии системы представляет собой сумму всех энергетических входов и выходов в систему и из нее, подобно тому, как все ваши депозиты и снятия определяют изменения в вашем банковском балансе», — сказал Митра.

Математически это выражается следующим образом: Δ U = Q — Вт , где Δ U — изменение внутренней энергии, Q — теплота, подводимая к системе, а Вт — работа, проделанная системой, согласно Britannica.

История первого закона термодинамики

Ученые в конце 18-го и начале 19-го веков придерживались теории теплоты, впервые предложенной Антуаном Лавуазье в 1783 году и получившей дальнейшее развитие в работах Сади Карно в 1824 году, согласно данным American Physical Общество.Эта научная теория рассматривала тепло как своего рода жидкость, которая естественным образом перетекает из горячих областей в холодные, подобно тому, как вода течет из высоких мест в низкие. Когда эта теплотворная жидкость перетекала из горячей области в холодную, ее можно было преобразовать в кинетическую энергию и заставить выполнять работу так же, как падающая вода приводит в движение водяное колесо. По данным Университета Вирджинии, только когда Рудольф Клаузиус опубликовал «Механическую теорию тепла» в 1867 году, теория калорий была окончательно положена в конец.

Термодинамические системы

Энергию можно разделить на две части, сказал Дэвид Макки, профессор физики Южного государственного университета Миссури.Одним из них является наш макроскопический вклад в человеческом масштабе, такой как поршень, движущийся и толкающий систему газа. Остальное состоит из вещей, которые происходят в очень маленьком масштабе, где мы не можем отследить вклад каждого отдельного человека.

«Когда я ставлю два образца металла друг против друга, и атомы гремят на границе, и два атома отскакивают друг от друга, и один из них отрывается быстрее другого, я не могу уследить Это происходит в очень небольшом временном масштабе и на очень небольшом расстоянии, и это происходит много-много раз в секунду», — сказал Макки в интервью Live Science.«Итак, мы просто делим всю передачу энергии на две группы: то, что мы будем отслеживать, и то, что мы не будем отслеживать. Последнее из них мы называем теплом».

Термодинамические системы обычно рассматриваются как открытые, закрытые или изолированные. По данным Университета Калгари, открытая система свободно обменивается энергией и веществом с окружающей средой; замкнутая система обменивается с окружающей средой энергией, но не материей; и изолированная система не обменивается энергией или веществом с окружающей средой.Например, кастрюля с кипящим супом получает энергию от плиты, излучает тепло от кастрюли и выделяет вещество в виде пара, который также уносит тепловую энергию. Это будет открытая система. Если мы накроем кастрюлю плотно крышкой, она по-прежнему будет излучать тепловую энергию, но в идеале больше не будет выделять материю в виде пара. Это будет закрытая система. Однако, если бы мы налили суп в идеально изолированный термос и запечатали крышку, в систему не попало бы ни энергии, ни материи.Это будет изолированная система.

Однако на практике идеально изолированные системы не могут существовать. Все системы передают энергию окружающей среде независимо от того, насколько хорошо они изолированы. Суп в термосе будет оставаться горячим всего несколько часов и на следующий день достигнет комнатной температуры. В другом примере белые карлики, горячие остатки сгоревших звезд, которые больше не производят энергию, могут быть изолированы световыми годами почти идеального вакуума в межзвездном пространстве, но в конечном итоге они остынут с нескольких десятков тысяч градусов. почти до абсолютного нуля из-за потерь энергии на излучение.Хотя этот процесс занимает больше времени, чем нынешний возраст Вселенной, остановить его невозможно.

Тепловые двигатели

Наиболее распространенным практическим применением первого закона является тепловой двигатель. Тепловые двигатели преобразуют тепловую энергию в механическую и наоборот. Большинство тепловых двигателей относятся к категории открытых систем. По данным Университета штата Джорджия, основной принцип работы тепловой машины использует взаимосвязь между теплом, объемом и давлением рабочей жидкости (любого вещества, которое течет), обычно газа.Примеры рабочих жидкостей включают пар в паровой машине и гидрофторуглероды в холодильных системах.

При нагревании газ расширяется; однако, когда этот газ не расширяется, его давление увеличивается. Если нижняя стенка камеры удержания представляет собой верхнюю часть подвижного поршня, это давление оказывает силу на поверхность поршня, заставляя его двигаться вниз. Затем это движение можно использовать для выполнения работы, равной общей силе, приложенной к верхней части поршня, умноженной на расстояние, на которое перемещается поршень.

Существует множество вариантов базовой тепловой машины. Например, паровые двигатели полагаются на внешнее сгорание для нагрева бака котла, содержащего рабочее тело, обычно воду. Вода преобразуется в пар, а затем давление используется для привода поршня, который преобразует тепловую энергию в механическую. Автомобильные двигатели, однако, используют внутреннее сгорание, при котором жидкое топливо испаряется, смешивается с воздухом и воспламеняется внутри цилиндра над подвижным поршнем, толкая его вниз, согласно Университету Оклахомы.

Холодильники, кондиционеры и тепловые насосы

Холодильники и тепловые насосы представляют собой тепловые двигатели, преобразующие механическую энергию в тепло. Большинство из них относятся к категории закрытых систем. При сжатии рабочего тела или газа его температура повышается. Затем этот горячий газ может передавать тепло окружающей среде. Затем, когда сжатому газу дают возможность расшириться, его температура становится ниже, чем до сжатия, потому что часть его тепловой энергии была удалена во время горячего цикла.Затем этот холодный газ может поглощать тепловую энергию из окружающей среды. По данным Бостонского университета, это принцип работы кондиционера. Кондиционеры на самом деле не производят холод; они отводят тепло.

Механический насос перекачивает рабочую жидкость наружу, где она нагревается за счет сжатия. Затем тепло передается во внешнюю среду, обычно через теплообменник с воздушным охлаждением, в котором часто используется электрический вентилятор для отвода тепла в окружающую среду. Затем рабочая жидкость возвращается в помещение, где ей дают возможность расшириться и охладиться, чтобы она могла поглощать тепло из воздуха в помещении через другой теплообменник.

Тепловой насос — это просто кондиционер, работающий в обратном направлении. Тепло от сжатого рабочего тела используется для обогрева здания. Затем он переносится наружу, где расширяется и становится холодным, что позволяет ему поглощать тепло из наружного воздуха, который даже зимой обычно теплее холодного рабочего тела. Рабочая жидкость обычно имеет достаточно низкую температуру замерзания, чтобы продолжать течь даже при очень низких температурах.

Геотермальные или наземные системы кондиционирования воздуха и тепловые насосы используют длинные U-образные трубы в глубоких колодцах или массив горизонтальных труб, заглубленных на большой площади, по которым циркулирует рабочая жидкость, и тепло передается к земле или от нее , по мнению У.С. Министерство энергетики. Другие системы используют речную или океанскую воду для нагрева или охлаждения рабочей жидкости.

Участник Live Science Эшли Хамер обновила эту статью 28 января 2022 г.

Дополнительные ресурсы

Вот еще три объяснения первого закона термодинамики: , 1 июня 2021 г. https://www.britannica.com/science/thermodynamics/The-first-law-of-thermodynamics

Институт истории науки, Antoine-Laurent Lavoisier, 11 декабря 2017 г.https://sciencehistory.org/historical-profile/antoine-laurent-lavoisier 

Американское общество инженеров-механиков, «Николя Леонар Сади Карно», 10 апреля 2012 г., https://www.asme.org/topics-resources /content/nicolas-leonard-sadi-carnot 

Рудольф Клаузиус, «Механическая теория тепла». Джон Ван Вурст, 1867 г.

Американское физическое общество, «История физики в этом месяце, декабрь 1840 г.: реферат Джоуля о преобразовании механической энергии в тепло», декабрь 2009 г. https://www.aps.org/publications/apsnews/200912/physicshistory.cfm

Университет Вирджинии, «Обучение теплу: рост и падение теории калорийности», июль 2003 г. http://galileoandeinstein.physics.virginia.edu/more_stuff/ TeachingHeat.htm 

Университет Калгари по энергетическому образованию, «Система и окружающая среда», 27 сентября 2021 г. https://energyeducation.ca/encyclopedia/System_and_surrounding 

Гиперфизический университет Джорджии, «Цикл теплового двигателя», http:// гиперфизика.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/heaeng.html 

Университет Оклахомы Курсы EC, «Термодинамика — Теория». http://www.ecourses.ou.edu/cgi-bin/ebook.cgi?topic=th&chap_sec=08.1&page=theory

Бостонский университет, «Тепловые двигатели и второй закон», 10 декабря 1999 г. http:// physics.bu.edu/~duffy/py105/Heatengines.html 

Министерство энергетики США, «Геотермальные тепловые насосы». https://www.energy.gov/energysaver/geothermal-heat-pumps

Первый закон термодинамики

Термодинамика — это раздел физики который имеет дело с энергией и работой системы.Термодинамика занимается только широкомасштабный ответ системы, которую мы можем наблюдать и измерить в опытах. Мелкомасштабные газовые взаимодействия описывается кинетической теорией газов. Есть три основных законы термодинамики, которые описаны на отдельных слайдах. Каждый Закон приводит к определению термодинамические свойства которые помогают нам понять и предсказать работу физического система. Приведем несколько простых примеров этих законов и свойства для различных физических систем, хотя нас больше всего интересует термодинамика двигательные установки и потоки с высокой скоростью.К счастью, многие из классические примеры термодинамики включают газовую динамику.

По нашим наблюдениям за проделанной работой, или газом, мы нашли, что количество работы зависит не только на начальное и конечное состояния газа но также и в процессе или пути, который создает конечное состояние. Точно так же 90 269 количество теплоты, переданное в или от газа также зависит от начального и конечного состояний и процесс , который создает конечное состояние. Многие наблюдения за реальным газах показали, что разница теплового потока в газ а работа, совершаемая газом, зависит только от начального и конечного состояния газа и зависит ли не от процесса или пути который производит конечное состояние.Это говорит о существовании дополнительная переменная, называемая внутренней энергией газа, которое зависит только от состояния газа, а не от какого-либо процесса. Внутренняя энергия является переменной состояния, точно так же, как температура или давление. Первый закон термодинамики определяет внутреннюю энергия (E) равна разнице теплопередачи (Q) в система и работа (W), выполненная 90 269 на 90 270 системы.

E2 — E1 = Q — W

Мы подчеркнули слова «в» и «по» в определении.Тепло, отводимое от системы в уравнении ставится отрицательный знак. Аналогично работают выполнено в системе присваивается отрицательный знак.

Внутренняя энергия — это такая же форма энергии, как и потенциальная. энергия объекта на некоторой высоте над землей, или кинетическая энергия движущегося объекта. Точно так же потенциальная энергия может быть преобразована в кинетическую энергию с сохранением полной энергии системы, внутренняя энергия термодинамической системы может быть преобразуется либо в кинетическую, либо в потенциальную энергию.Нравится потенциал энергия, внутренняя энергия может запасаться в системе. Обратите внимание, однако, что тепло и работа не может быть сохранена или сохранена независимо, поскольку они зависят на процессе. Первый закон термодинамики допускает многие Возможные состояния системы существуют, но только определенные состояния обнаружено существование в природе. То второй закон термодинамики помогает объяснить это наблюдение.

Если система полностью изолирована от внешней среды, возможно изменение состояния, при котором теплота не передается система.Ученые называют процесс, в котором не участвует тепло. перенос как адиабатический процесс. Реализация первого закона термодинамики для газов вводится еще один полезная переменная состояния, называемая энтальпией который описан на отдельной странице.

---

Виды деятельности:

---

Экскурсии с гидом

• Термодинамика:

---

Навигация ..

Домашняя страница руководства для начинающих

Первый закон термодинамики — обзор

5.1 Введение

Обычно считается, что первый закон термодинамики наименее сложен для понимания, поскольку он является расширением закона сохранения энергии, а это означает, что энергия не может быть ни создана, ни уничтожена. Сколько бы энергии ни было в начале Вселенной, столько же будет и в конце. Однако термодинамика — предмет тонкий, и первый закон гораздо интереснее, чем может показаться из этого замечания. Более того, подобно нулевому закону, давшему толчок к введению свойства «температура» и его уточнению, первый закон мотивирует введение и помогает прояснить смысл неуловимого понятия «энергия».”

Энергетический баланс, основанный на первом законе термодинамики, разработан для лучшего понимания любого процесса, облегчения проектирования и контроля, выявления потребностей в улучшении процесса и возможной оптимизации. Степень совершенства использования энергии процесса или его отдельных частей позволяет сравнить степень совершенства и связанные параметры процесса с параметрами других подобных процессов. Особенно важно сравнение с достижимыми в настоящее время значениями в наиболее эффективных системах.Можно установить приоритеты для необходимых попыток оптимизации системы или ее компонентов. Такие приоритеты могут осуществляться на основании либо чрезмерного энергопотребления, либо особо низкой степени совершенства.

Однако энергетический подход имеет некоторые недостатки. Как правило, энергообмен не чувствителен к предполагаемому направлению процесса, например, энергетический анализ допускает самопроизвольную передачу тепла в направлении повышения температуры.Энергия также не различает своего качества, например, 1 Вт тепла равен 1 Ватт работы или электроэнергии.

Первый закон термодинамики гласит, что полная энергия системы остается постоянной, даже если она переходит из одной формы в другую. Например, кинетическая энергия — энергия, которой обладает объект при движении, — преобразуется в тепловую энергию, когда водитель нажимает на тормоз автомобиля, чтобы замедлить его. Первый закон термодинамики связывает различные формы кинетической и потенциальной энергии в системе с работой, которую система может совершить, и с передачей тепла.Этот закон иногда принимается за определение внутренней энергии , а также вводит дополнительную переменную состояния, энтальпию . Первый закон термодинамики допускает существование множества возможных состояний системы. Однако опыт показывает, что имеют место только определенные состояния. В конечном итоге это приводит ко второму закону термодинамики и определению другой переменной состояния, называемой энтропией .

Работа есть движение против противодействующей силы. Поднятие веса против противодействующей силы тяжести требует работы.Величина работы зависит от массы объекта, силы притяжения к нему и высоты, на которую он поднят. Работа является основной основой термодинамики и, в частности, первого закона. Любая система способна выполнять работу. Например, сжатая или растянутая пружина может совершать работу, подобную той, которая используется для подъема груза. Электрическая батарея способна выполнять работу, так как ее можно подключить к электродвигателю, который, в свою очередь, можно использовать для подъема груза.Это не совсем очевидный момент, но когда электрический ток проходит через нагреватель, он совершает работу над нагревателем, так как тот же самый ток можно использовать для подъема груза, пропуская его через электродвигатель, а не через нагреватель. Тогда почему обогреватель называется « обогреватель », а не « рабочий », очевидно из понятия теплоты, которое было определено в главе 4.

Первый закон термодинамики обычно называют законом сохранения энергии. В начальных курсах физики изучение сохранения энергии делает упор на изменения механической кинетической и потенциальной энергии и их связь с работой.Более общая форма сохранения энергии включает эффекты теплопередачи и изменения внутренней энергии. Эта более общая форма обычно называется первым законом термодинамики . Также могут быть включены другие формы энергии, такие как электростатическая, магнитная, деформационная и поверхностная энергия.

Чтобы понять и иметь лучшее представление о работе с точки зрения термодинамики, необходим термин, обозначающий способность системы выполнять работу. Этот термин равен энергии .Полностью растянутая пружина совершает большую работу, чем та же пружина, только слегка растянутая. Литр горячей воды обладает большей энергетической ценностью, чем литр холодной воды. Следовательно, понятие энергии — это всего лишь мера способности системы выполнять работу.

Первый закон термодинамики гласит, что энергия e не может быть ни создана, ни уничтожена, а только изменена в форме . Для любой системы перенос энергии связан с переходом массы через границу управления, внешней работой или передачей тепла через границу.Они производят изменение накопленной энергии в пределах контрольного объема. Массовый расход жидкости связан с кинетической, потенциальной, внутренней и «потоковой» энергиями, влияющими на общий энергетический баланс системы. Обмен внешней работой и теплотой завершает энергетический баланс. Вот почему первый закон термодинамики называется принципом сохранения энергии , что означает, что энергия не может быть ни создана, ни уничтожена , а преобразована в различные формы по мере изменения жидкости в контрольном объеме.Система – это область пространства (контрольный объем), через которую может проходить или не проходить рабочая жидкость. Затем наблюдают за различными энергиями, связанными с жидкостью, по мере того, как они пересекают границы системы, и устанавливается баланс. Как обсуждалось в главе 1, система может быть одного из трех типов:

1.

Изолированная система;

2.

Закрытая система;

3.

Открытая система.

Открытая система, самая общая из трех, позволяет массе, теплу и внешней работе пересекать контрольную границу.Равновесие выражается в работе, поскольку все энергии, поступающие в систему, равны всем энергиям, покидающим систему, плюс изменение запаса энергий внутри системы.

Система может быть механическим устройством, биологическим организмом или определенным количеством материала, например, хладагентом в кондиционере или паром, расширяющимся в турбине. Термодинамическая система — это система, которая может взаимодействовать (и обмениваться энергией) со своим окружением или окружающей средой, по крайней мере, двумя способами, одним из которых является передача тепла.Знакомый пример — количество зерен попкорна в кастрюле с крышкой (рис. 5.1). Когда горшок ставится на плиту, к попкорну добавляется энергия за счет теплопроводности; когда попкорн лопается и расширяется, он действительно работает, поскольку оказывает восходящее усилие на крышку и смещает ее.

Рисунок 5.1. Попкорн в кастрюле — это термодинамическая система. В термодинамическом процессе, показанном здесь, к системе добавляется тепло, и система работает над своим окружением, поднимая крышку кастрюли.

В этом процессе изменяется состояние попкорна, так как объем, температура и давление попкорна меняются по мере того, как он лопается.Процесс, подобный этому, при котором происходят изменения состояния термодинамической системы, называется термодинамическим процессом. В термодинамических системах важно с самого начала четко определить, что именно входит в систему, а что нет. Только тогда можно однозначно описать переносы энергии. Например, в примере с попкорном система включала попкорн, но не кастрюлю, крышку или плиту.

Первый закон термодинамики

 

Цель обучения

• Описать первый закон термодинамики

---

Ключевые моменты

• Согласно первому закону термодинамики общее количество энергии во Вселенной постоянно.
• Энергия может переноситься с места на место или преобразовываться в различные формы, но ее нельзя создать или уничтожить.
• Живые организмы эволюционировали, чтобы получать энергию из своего окружения в формах, которые они могут передавать или преобразовывать в полезную энергию для выполнения работы.

---

Условия

• работа Мера энергии, затраченной на перемещение объекта, обычно считается произведением силы на расстояние. Никакая работа не совершается, если объект не движется.
• первый закон термодинамики Вариант закона сохранения энергии, специально предназначенный для термодинамических систем, который утверждает, что энергия изолированной системы постоянна и не может быть ни создана, ни уничтожена.

---

Термодинамика изучает тепловую энергию и другие виды энергии, такие как работа, а также различные способы передачи энергии в химических системах. «Термо-» относится к теплу, а «динамика» относится к движению.

Первый закон термодинамики

Первый закон термодинамики касается общего количества энергии во Вселенной.Закон гласит, что это общее количество энергии постоянно. Другими словами, во Вселенной всегда было и всегда будет одинаковое количество энергии.

Энергия существует во многих различных формах. Согласно первому закону термодинамики, энергия может передаваться с места на место или изменяться между различными формами, но ее нельзя создавать или уничтожать. Передачи и преобразования энергии происходят вокруг нас все время. Например, электрические лампочки преобразуют электрическую энергию в световую, а газовые плиты преобразуют химическую энергию природного газа в тепловую.Растения выполняют одно из самых биологически полезных преобразований энергии на Земле: они преобразуют энергию солнечного света в химическую энергию, хранящуюся в органических молекулах.

Первый закон термодинамики Показаны два примера передачи энергии из одной системы в другую и преобразования из одной формы в другую. Люди могут преобразовывать химическую энергию пищи, такой как этот рожок мороженого, в кинетическую энергию, катаясь на велосипеде. Растения могут преобразовывать электромагнитное излучение (энергию света) солнца в химическую энергию.

Система и окружение

Термодинамика часто делит вселенную на две категории: система и ее окружение. В химии система почти всегда относится к данной химической реакции и сосуду, в котором она происходит. Первый закон термодинамики говорит нам, что энергия не может быть ни создана, ни уничтожена, поэтому мы знаем, что энергия, которая поглощается в эндотермической химической реакции, должна быть потеряна из окружающей среды. И наоборот, при экзотермической реакции тепло, выделяющееся в ходе реакции, отдается и поглощается окружающей средой.Математически мы имеем:

[латекс]\Delta E=\Delta E_{sys}+\Delta E_{surr}=0[/latex]

Система и ее окружение Базовая диаграмма, показывающая фундаментальное различие между системой и ее окружением в термодинамике.

Тепло и работа

Мы знаем, что химические системы могут либо поглощать тепло из окружающей среды, если реакция эндотермическая, либо отдавать тепло окружающей среде, если реакция экзотермическая. Однако химические реакции часто используются для выполнения работы, а не просто для теплообмена.Например, когда ракетное топливо сгорает и заставляет космический шаттл отрываться от земли, химическая реакция, приводящая ракету в движение, совершает работу, применяя силу на расстоянии.

Если вы когда-либо видели видеозапись взлета космического шаттла, то знаете, что в ходе происходящей химической реакции также выделяется огромное количество тепла и света. Другая полезная форма первого закона термодинамики связывает теплоту и работу для изменения энергии внутренней системы:

[латекс]\Delta E_{sys}=Q+W[/латекс]

Хотя эта формулировка чаще используется в физике, она по-прежнему важна для химии.

Запуск ракеты Мощная химическая реакция, приводящая в движение ракету, выделяет огромное количество тепла в окружающую среду и воздействует на окружающую среду (ракету).

 

Показать источники

Boundless проверяет и курирует высококачественный контент с открытой лицензией со всего Интернета. Этот конкретный ресурс использовал следующие источники:

Три закона термодинамики

 

Цель обучения

• Обсудите три закона термодинамики.

---

Ключевые моменты

• Первый закон, также известный как закон сохранения энергии, гласит, что энергия не может быть создана или уничтожена в изолированной системе.
• Второй закон термодинамики гласит, что энтропия любой изолированной системы всегда возрастает.
• Третий закон термодинамики гласит, что энтропия системы приближается к постоянному значению, когда температура приближается к абсолютному нулю.

---

Условия

• абсолютный нольСамая низкая температура, которая теоретически возможна.
• энтропия Термодинамическое свойство, которое является мерой тепловой энергии системы на единицу температуры, недоступной для выполнения полезной работы.

---

Система или окружение

Во избежание путаницы ученые обсуждают термодинамические значения применительно к системе и ее окружению. Все, что не является частью системы, составляет ее окружение. Система и окружение разделены границей. Например, если система представляет собой один моль газа в сосуде, то границей является просто внутренняя стенка самого сосуда.Все, что находится за пределами границы, считается окружением, в том числе и сам контейнер.

Граница должна быть четко определена, чтобы можно было ясно сказать, находится ли данная часть мира в системе или в окружении. Если материя не может пройти через границу, то говорят, что система замкнута ; в противном случае это open . Замкнутая система может по-прежнему обмениваться энергией с окружающей средой, если только система не является изолированной, и в этом случае ни материя, ни энергия не могут пройти через границу.

Термодинамическая система Схема термодинамической системы

Первый закон термодинамики

Первый закон термодинамики, также известный как закон сохранения энергии, гласит, что энергия не может быть ни создана, ни уничтожена; энергия может только передаваться или изменяться из одной формы в другую. Например, включение света производит энергию; однако преобразуется именно электрическая энергия.

Один из способов выразить первый закон термодинамики состоит в том, что любое изменение внутренней энергии (∆E) системы определяется суммой тепла (q), прошедшего через ее границы, и работы (w), выполненной на система по окружению:

[латекс]\Delta E = q + w[/латекс]

Этот закон гласит, что есть два вида процессов, теплота и работа, которые могут привести к изменению внутренней энергии системы.Поскольку и теплоту, и работу можно измерить и количественно определить, это то же самое, что сказать, что любое изменение энергии системы должно привести к соответствующему изменению энергии окружающей среды вне системы. Другими словами, энергия не может быть создана или уничтожена. Если тепло поступает в систему или окружающая среда совершает над ней работу, внутренняя энергия увеличивается, а знаки q и w положительны. И наоборот, поток тепла из системы или работа, совершаемая системой (в окружающей среде), будет осуществляться за счет внутренней энергии, и поэтому q и w будут отрицательными.

Второй закон термодинамики

Второй закон термодинамики гласит, что энтропия любой изолированной системы всегда возрастает. Изолированные системы самопроизвольно развиваются в сторону теплового равновесия — состояния максимальной энтропии системы. Проще говоря: энтропия Вселенной (предельной изолированной системы) только увеличивается и никогда не уменьшается.

Простой способ представить второй закон термодинамики состоит в том, что комната, если ее не убирать и не приводить в порядок, со временем неизбежно станет более грязной и беспорядочной, независимо от того, насколько тщательно вы поддерживаете ее в чистоте.