Приложения первого закона термодинамики

Энергия, как и материя, всегда сохраняется, а это значит, что она не может быть создана или уничтожена, но может быть преобразована из одной формы в другую. Внутренняя энергия - это термодинамический атрибут системы, который относится к энергии, связанной с молекулами системы, и включает в себя как кинетическую, так и потенциальную энергию. Всякий раз, когда система претерпевает изменения в результате взаимодействия теплоты, работы и внутренней энергии, за этим следует ряд переносов и превращений энергии. Однако в ходе этих обменов нет чистого изменения полной энергии. Точно так же основной закон термодинамики подтверждает, что теплота является видом энергии. Это означает, что термодинамические процессы руководствуются концепцией сохранения энергии. Первый закон термодинамики часто называют законом сохранения энергии.

Первый закон термодинамики

Термодинамическая система, находящаяся в равновесии, имеет переменную состояния, известную как внутренняя энергия (E). Разница внутренней энергии между двумя системами равна разнице между теплотой, переданной системе, и работой, совершаемой системой. Энергия Вселенной остается постоянной, согласно первому закону термодинамики. Им можно обмениваться между системой и окружающей средой, но его нельзя сгенерировать или уничтожить. Закон в первую очередь касается изменений в энергетических состояниях, вызванных работой и передачей тепла. Он переосмысливает концепцию энергосбережения.

Heat is a kind of energy, according to the First Law of Thermodynamics, hence thermodynamic processes are governed by the concept of energy conservation. As a result, neither heat nor cold energy can be created or destroyed. It may, however, be moved from one region to another and changed into and out of other types of energy.

Уравнение для первого закона термодинамики дается как;

ΔU = q + W

где: ΔU — изменение внутренней энергии системы, q — алгебраическая сумма теплообмена между системой и окружающей средой, W — работа взаимодействия системы с окружающей средой.

1. Энергия (Е) всегда постоянна в изолированной системе.
2. Внутренняя энергия является системным свойством и точечной функцией. Внутренняя энергия является широкой (зависящей от массы) характеристикой, тогда как удельная энергия является узким (независимой от массы) характеристикой (независимой от массы).
3. Внутренняя энергия идеального газа есть не что иное, как функция температуры.

Significance of First Law of Thermodynamics: The first law of thermodynamics is founded on the idea of energy conservation. This indicates that energy cannot be generated or destroyed, but it can shift into different forms with no loss of energy. When a system transitions from one state to another, both dQ and dW are affected by the nature of the process. dU, on the other hand, is the same for all operations. 

Ограничения первого закона термодинамики

• Когда система проходит через термодинамический процесс, она всегда должна поддерживать точный энергетический баланс в соответствии с законом. Первый закон, с другой стороны, не может обеспечить осуществимость процесса или изменения состояния, через которые проходит система.
• Первый закон, например, не объясняет, почему тепло передается от горячего конца к холодному, когда металлический стержень нагревается с одного конца, но не нагревается с другого, и наоборот.
• Первый закон определяет только количество энергии, переданной в ходе этого процесса. Второй закон термодинамики служит ориентиром для осуществимости различных процессов.

Первый закон термодинамики для замкнутой системы

Работа, совершаемая в закрытой системе, является произведением приложенного давления и изменения объема, вызванного приложенным давлением.

W = - P ΔV

Где P — постоянное внешнее давление на систему, а ΔV — изменение объема системы. Это специально называется работой давление-объем.

Внутренняя энергия системы возрастает или падает в ответ на рабочий контакт, происходящий за ее пределами. Внутренняя энергия увеличивается, когда над системой совершается работа, и уменьшается, когда система совершает работу. Любое тепловое взаимодействие, происходящее в системе с окружающей средой, изменяет внутреннюю энергию системы. Однако, поскольку энергия постоянна (согласно первому закону термодинамики), полное изменение внутренней энергии всегда равно нулю. Если система теряет энергию, она поглощается окружающей средой. Когда энергия поглощается системой, это означает, что энергия была выделена окружающей средой:

ΔU _{системы} = −ΔU _{окружения}

Где ΔU _{системы} — изменение полной внутренней энергии системы, а ΔU _{окружения} — изменение полной энергии окружения.

Приложения первого закона термодинамики

• Изотермический процесс: температура идеального газа остается постоянной во время изотермического процесса. Это означает, что тепло, поступающее в систему, используется для совершения работы против окружающей среды. Так,

dQ = dU + dW

⇒ dQ = dW

• Процесс плавления: Когда твердое тело превращается в жидкость, его внутренняя энергия увеличивается. Пусть m = масса жидкости и L = скрытая теплота твердого тела. Количество тепла, поглощенное системой, dQ = мл.

Происходит небольшое расширение, т. е. ΔV = 0

⇒ dW = P∆V = 0

Так,

dQ = dU + dW

⇒ dU = мл

Таким образом, внутренняя энергия увеличивается в процессе плавления.

• Тепловые двигатели:

Тепловая машина является наиболее распространенным практическим применением первого закона. Тепловая энергия преобразуется в механическую с помощью тепловых двигателей и наоборот. Подавляющее большинство тепловых двигателей представляют собой открытые системы. Основная идея тепловой машины использует соотношение между теплотой, объемом и давлением рабочего тела. Эта жидкость обычно является газом, однако в некоторых случаях она может переходить из газа в жидкость и обратно в газ во время цикла.

Когда газ нагревается, он расширяется; тем не менее, когда тот же газ заключен, его давление возрастает. Если нижняя стенка камеры удержания является верхней частью движущегося 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, пройденное поршнем.

Холодильники, кондиционеры и тепловые насосы

Холодильники и тепловые насосы представляют собой преобразователи механической энергии, преобразующие механическую энергию в тепловую. Большинство из них относятся к закрытым системам. При сжатии газа его температура повышается. Затем этот горячий газ может излучать тепло в окружающую среду. Когда сжатому газу дают возможность расшириться, его температура падает ниже той, которая была до сжатия, потому что часть его тепловой энергии была удалена во время горячего цикла. После этого холодный газ может поглощать тепловую энергию из окружающей среды. Это принцип работы кондиционера. Кондиционеры не производят холод; скорее, они отводят тепло. Механический насос транспортирует рабочую жидкость наружу, где она сжимается и нагревается. Затем тепло передается во внешнюю среду, как правило, через теплообменник с воздушным охлаждением. Затем он доставляется в помещение для расширения и охлаждения перед тем, как забрать тепло из внутреннего воздуха через другой теплообменник.

Тепловой насос — это, по сути, кондиционер с обратным циклом. Тепло сжатого рабочего тела используется для обогрева здания. Затем его перемещают на улицу, где он расширяется и охлаждается, позволяя ему поглощать тепло из наружного воздуха, который обычно даже зимой теплее, чем холодная рабочая жидкость.

Примеры вопросов

Вопрос 1: Какова энтальпия образования наиболее устойчивой формы элемента в его стандартном состоянии?

Отвечать:

The enthalpy of formation of an element’s most stable form in its standard state is zero.

Вопрос 2: Сформулируйте закон Гесса.

Отвечать:

According to Hess’s law, the change in enthalpy of a reaction remains constant whether the reaction is carried out in one step or numerous steps.

Вопрос 3: Дайте определение первому закону термодинамики.

Отвечать:

Energy cannot be created or destroyed, according to the first law of thermodynamics. The energy of an isolated system remains constant.

Вопрос 4. Многие термодинамически возможные реакции не протекают в обычных условиях. Почему?

Отвечать:

The average energy of the reactants may be less than the threshold energy under normal conditions. To start the reaction, they need some activation energy.

Вопрос 5: Почему первый закон термодинамики важен для окружающей среды?

Отвечать:

All living species on Earth rely solely on the sun for energy. These energies received by plants are not returned to the solar system, but are instead passed on to herbivores that eat green vegetation. When herbivores die, some of the energy acquired by them is used by carnivores or transmitted to decomposers.