De Eerste wet van de thermodynamica stelt dat elke verandering die wordt ervaren door de energie van een systeem, afkomstig is van het uitgevoerde mechanische werk, plus de warmte die wordt uitgewisseld met de omgeving. Of ze nu in rust of in beweging zijn, objecten (systemen) hebben verschillende energieën, die door een bepaald proces van de ene klasse naar de andere kunnen worden getransformeerd..
Als een systeem zich in de stilte van het laboratorium bevindt en de mechanische energie 0 is, heeft het nog steeds interne energie, omdat de deeltjes waaruit het bestaat voortdurend willekeurige bewegingen ondergaan..
De willekeurige bewegingen van de deeltjes, samen met de elektrische interacties en in sommige gevallen de nucleaire, vormen de interne energie van het systeem en wanneer het in wisselwerking staat met zijn omgeving, ontstaan variaties in de interne energie..
Er zijn verschillende manieren om deze wijzigingen door te voeren:
- De eerste is dat het systeem warmte uitwisselt met de omgeving. Dit gebeurt wanneer er een temperatuurverschil tussen de twee is. Dan geeft degene die het is warmte af - een manier om energie over te dragen - aan de koudste, totdat beide temperaturen gelijk zijn en een thermisch evenwicht bereikt..
- Door een taak uit te voeren, of het systeem het nu uitvoert of een externe agent het op het systeem doet.
- Massa aan het systeem toevoegen (massa is gelijk aan energie).
Laat U de interne energie zijn, de balans zou ΔU zijn = uiteindelijke U - initiële U, dus het is handig om tekens toe te wijzen, die volgens het IUPAC-criterium (Internationale Unie voor zuivere en toegepaste chemie) Zij zijn:
- Positieve Q en W (+), wanneer het systeem warmte ontvangt en werk is gedaan eroverheen (energie wordt overgedragen).
- Negatieve Q en W (-), als het systeem warmte afgeeft en wel aan het milieu werkt (energie neemt af).
Artikel index
De eerste wet van de thermodynamica is een andere manier om te stellen dat energie niet wordt gecreëerd of vernietigd, maar wordt getransformeerd van het ene type naar het andere. Hierdoor zal warmte en werk zijn ontstaan, die nuttig kunnen worden gebruikt. Wiskundig wordt het als volgt uitgedrukt:
ΔU = Q + W
Waar:
- ΔU is de verandering in de energie van het systeem gegeven door: ΔU = eindenergie - initiële energie = UF. - OFof
- Q is de warmte-uitwisseling tussen het systeem en de omgeving.
- W is de werk gedaan aan het systeem.
In sommige teksten wordt de eerste wet van de thermodynamica als volgt gepresenteerd:
ΔU = Q - W
Dit betekent niet dat ze elkaar tegenspreken of dat er een fout is. Dit komt doordat werk W is gedefinieerd als de werk gedaan door het systeem in plaats van het werk te gebruiken dat op het systeem is gedaan, zoals in de IUPAC-benadering.
Met dit criterium wordt de eerste wet van de thermodynamica als volgt geformuleerd:
Wanneer wordt overgedragen een hoeveelheid warmte Q aan een lichaam en dit op zijn beurt bepaalde werkzaamheden uitvoeren W, de verandering in zijn interne energie wordt gegeven door ΔU = Q - W.
In overeenstemming zijn met de keuze van borden, en er rekening mee houden dat:
W. uitgevoerd op het systeem = - W uitgevoerd door het systeem
Beide criteria geven de juiste resultaten.
Zowel warmte als werk zijn twee manieren om energie over te dragen tussen het systeem en zijn omgeving. Alle betrokken grootheden hebben als eenheid in het Internationale Systeem de joule of joule, afgekort J.
De eerste wet van de thermodynamica geeft informatie over de verandering in energie, niet de absolute waarden van de uiteindelijke of initiële energie. Zelfs sommige ervan kunnen als 0 worden beschouwd, want wat telt is het verschil in waarden.
Een andere belangrijke conclusie is dat elk geïsoleerd systeem ΔU = 0 heeft, aangezien het geen warmte kan uitwisselen met de omgeving en er geen externe agent aan mag werken, zodat de energie constant blijft. Een thermoskan om je koffie warm te houden is een redelijke benadering.
Dus in een niet-geïsoleerd systeem is ΔU altijd anders dan 0? Het is niet noodzakelijk dat ΔU 0 kan zijn als de variabelen, die gewoonlijk druk, temperatuur, volume en aantal mol zijn, een cyclus doorlopen waarin hun begin- en eindwaarden hetzelfde zijn.
In de Carnot-cyclus wordt bijvoorbeeld alle thermische energie omgezet in bruikbaar werk, omdat er geen rekening wordt gehouden met verliezen als gevolg van wrijving of viscositeit.
Wat betreft U, de mysterieuze energie van het systeem, ze omvat:
- De kinetische energie van de deeltjes terwijl ze bewegen en die afkomstig is van de trillingen en rotaties van atomen en moleculen.
- Potentiële energie door elektrische interacties tussen atomen en moleculen.
- Interacties van de atoomkern, zoals in de zon.
De eerste wet stelt dat het mogelijk is om warmte te produceren en te werken door de interne energie van een systeem te laten veranderen. Een van de meest succesvolle toepassingen is de verbrandingsmotor, waarbij een bepaald volume gas wordt afgenomen en de expansie wordt gebruikt om werkzaamheden uit te voeren. Een andere bekende toepassing is de stoommachine.
Motoren maken meestal gebruik van cycli of processen waarbij het systeem vertrekt van een begintoestand van evenwicht naar een andere eindtoestand, ook van evenwicht. Velen van hen vinden plaats onder omstandigheden die de berekening van werk en warmte uit de eerste wet vergemakkelijken.
Hier zijn eenvoudige sjablonen die veelvoorkomende, alledaagse situaties beschrijven. De meest illustratieve processen zijn adiabatische, isochore, isotherme, isobare processen, gesloten padprocessen en vrije expansie. Daarin wordt een systeemvariabele constant gehouden en bijgevolg neemt de eerste wet een bepaalde vorm aan.
Het zijn die waarbij het volume van het systeem constant blijft. Er wordt dus niet gewerkt en met W = 0 blijft het:
ΔU = Q
Bij deze processen blijft de druk constant. Het werk dat door het systeem wordt gedaan, is te wijten aan de verandering in volume.
Stel dat een gas zich in een container bevindt. Aangezien werk W wordt gedefinieerd als:
W = Kracht x verplaatsing = F.Δl (geldig voor een constante kracht parallel aan de verplaatsing).
En op zijn beurt is de druk:
p = F / A ⇒ F = p.A
Door deze kracht in de uitdrukking van werk te vervangen, resulteert dit in:
W = p. A. Al
Maar het product A. Al is gelijk aan de volumeverandering ΔV, waardoor het werk als volgt blijft:
W = p AV.
Voor een isobaar proces neemt de eerste wet de vorm aan:
ΔU = Q - p ΔV
Het zijn degenen die plaatsvinden bij een constante temperatuur. Dit kan gebeuren door het systeem in contact te brengen met een extern thermisch reservoir en de warmte-uitwisseling zeer langzaam te laten plaatsvinden, zodat de temperatuur constant is..
Warmte kan bijvoorbeeld vanuit een heet reservoir in het systeem stromen, waardoor het systeem zijn werk kan doen, zonder variatie in ΔU. Dan:
Q + W = 0
In het adiabatische proces is er geen overdracht van thermische energie, daarom Q = 0 en de eerste wet reduceert tot ΔU = W. Deze situatie kan voorkomen in goed geïsoleerde systemen en betekent dat de energieverandering afkomstig is van het werk dat is gedaan. over hem, volgens de huidige tekenconventie (IUPAC).
Men zou kunnen denken dat, aangezien er geen overdracht van thermische energie is, de temperatuur constant zal blijven, maar dit is niet altijd het geval. Verrassend genoeg resulteert de compressie van een geïsoleerd gas in een verhoging van de temperatuur, terwijl bij adiabatische uitzetting de temperatuur daalt..
In een gesloten pad proces, het systeem keert terug naar dezelfde staat als in het begin, ongeacht wat er op de tussenliggende punten is gebeurd. Deze processen zijn al eerder genoemd als we het hadden over niet-geïsoleerde systemen.
Daarin ΔU = 0 en dus Q = W of Q = -W volgens het gebruikte tekencriterium.
Gesloten padprocessen zijn erg belangrijk omdat ze de basis vormen van thermische motoren zoals de stoommachine..
eindelijk, de gratis uitbreiding het is een idealisatie die plaatsvindt in een thermisch geïsoleerde container die een gas bevat. De container heeft twee compartimenten gescheiden door een scheidingswand of membraan en het gas bevindt zich in een van hen.
Het volume van de container neemt plotseling toe als het membraan scheurt en het gas uitzet, maar de container bevat geen zuiger of ander object om te bewegen. Dan werkt het gas niet terwijl het uitzet en W = 0. Omdat het thermisch geïsoleerd is, Q = 0 en direct wordt geconcludeerd dat ΔU = 0.
Daarom veroorzaakt vrije uitzetting geen veranderingen in de energie van het gas, maar paradoxaal genoeg is het tijdens het uitzetten niet in evenwicht.
- Een typisch isochoor proces is het verhitten van een gas in een luchtdichte en stijve houder, bijvoorbeeld een snelkookpan zonder uitlaatklep. Op deze manier blijft het volume constant en als we zo'n container in contact brengen met andere lichamen, verandert de interne energie van het gas alleen dankzij de warmteoverdracht als gevolg van dit contact..
- Thermische machines voeren een cyclus uit waarin ze warmte uit een thermische tank halen, bijna alles in werk omzetten, een deel overlaten voor hun eigen werking en de overtollige warmte wordt gedumpt in een andere koudere tank, meestal de omgeving..
- Het bereiden van sauzen in een onbedekte pan is een dagelijks voorbeeld van een isobaar proces, aangezien het koken plaatsvindt bij atmosferische druk en het volume van de saus na verloop van tijd afneemt naarmate de vloeistof verdampt..
- Een ideaal gas waarin een isotherm proces plaatsvindt, houdt het product van druk en volume constant: P. V = constant.
- Door het metabolisme van warmbloedige dieren kunnen ze een constante temperatuur handhaven en meerdere biologische processen uitvoeren, ten koste van de energie die in voedsel zit.
Een gas wordt gecomprimeerd bij een constante druk van 0,800 atm, zodat het volume varieert van 9,00 l tot 2,00 l. Daarbij geeft het gas 400 J energie af door warmte. a) Zoek het werk dat aan het gas is gedaan en b) bereken de verandering in zijn interne energie.
In het adiabatische proces wordt daaraan voldaan P.of = P.F., het werk aan het gas is W = P. AV, zoals uitgelegd in de voorgaande secties.
De volgende omrekenfactoren zijn vereist:
1 atm = 101,325 kPa = 101,325 Pa.
1 L = 0,001 m3
Daarom: 0,8 atm = 81,060 Pa en ΔV = 9 - 2 L = 7 L = 0,007 m3
Vervanging van de waarden die u krijgt:
W = 81060 Pa x 0,007 m3 = 567,42 J
Als het systeem warmte opgeeft, Q teken wordt toegewezen - daarom is de eerste wet van de thermodynamica als volgt:
ΔU = -400 J + 567,42 J = 167,42 J.
Het is bekend dat de interne energie van een gas 500 J is en wanneer het adiabatisch wordt gecomprimeerd, neemt het volume af met 100 cm3. Als de druk die tijdens compressie op het gas wordt uitgeoefend 3,00 atm was, bereken dan de interne energie van het gas na adiabatische compressie.
Aangezien de instructie aangeeft dat de compressie adiabatisch is, is het waar dat Q = 0 Y AU = W, dan:
ΔU = W = U laatste - OF eerste
Met initiële U = 500 J..
Volgens de gegevens AV = 100 cm3 = 100 x 10-6 m3 Y 3 atm = 303975 Pa, Dus:
W = P. ΔV = 303975 Pa x 100 x 10-6 m3 = 30,4 J
OF laatste - OF eerste = 30,4 J
OF laatste = U eerste + 30,4 J = 500 J + 30,4 J = 530,4 J.
Niemand heeft nog op dit artikel gereageerd.