Prvi zakon termodinamike je objašnjenje ovog zakona i praktični primjeri.

Fizički procesi poput topline i rada mogu se objasniti jednostavnim prijenosom energije iz jednog tijela u drugo. U slučaju posla, radi se o tome mehanička energija Toplina preuzima toplinsku energiju. Prijenos energije provodi se prema zakonima termodinamike. Glavne točke ovog dijela fizike poznate su kao "početci".

Prvi zakon termodinamike regulira i ograničava proces prijenosa energije u jednom ili drugom sustavu.

Vrste energetskih sustava

U fizičkom svijetu postoje dvije vrste energetskih sustava. Zatvoreni ili zatvoreni sustav ima konstantnu masu. U otvorenom ili otvorenom sustavu masa se može smanjiti i povećati ovisno o procesima koji se odvijaju u ovom sustavu. Većina promatranih sustava je otvorena. Istraživanja u takvim sustavima su otežana mnoštvom slučajnih čimbenika koji utječu na pouzdanost rezultata. Stoga fizičari proučavaju fenomene u zatvorenim sustavima, ekstrapolirajući rezultate na otvorene, uzimajući u obzir nužne korekcije.

Energija izoliranog sustava

Svaki zatvoreni sustav u kojem nema razmjene energije s okolišem je izoliran. Ravnotežno stanje takvog sustava određeno je indikacijama takvih veličina:

• P - tlak u sustavu;
• V je volumen izoliranog sustava
• T je temperatura;
• n je broj mola plina u sustavu;

Kao što se može vidjeti, količina topline i obavljeni rad nisu uključeni u ovaj popis. Zatvoreni, izolirani sustav ne provodi izmjenu topline i ne obavlja radove. Njena ukupna energija ostaje nepromijenjena.

Energetska promjena sustava

Kada se radi ili se odvija proces izmjene topline, stanje sustava se mijenja i neće se smatrati izoliranim.

Formulacija prvog zakona termodinamike

Unutarnja energija Zatvoreni sustav se sastoji od zbroja energija svih čestica ovog sustava. Ta se energija može promijeniti samo djelovanjem na sustav izvana. Unutarnja energija takvog zatvorenog sustava će se povećati ili zbog posla koji je obavljen na sustavu, ili zbog prijenosa određene količine topline u takav sustav. Smanjenje ukupne energije sustava također će ovisiti o dva čimbenika - ili će se odvojiti od topline ili će obaviti neki posao.

Promjena količine ukupne energije može se izraziti formulom koja će izgledati ovako:

Ako govorimo o radu na sustavu, onda je varijabla W bit će negativna. Ova formula predstavlja prvi zakon termodinamike.

Zakon o zaštiti

Ovaj zakon se smatra jednim od temeljnih zakona fizike. Toplina i rad su glavno sredstvo prijenosa energije, a promjena unutarnje energije sustava izravno ovisi o tim količinama. Tako se mijenja prvi zakon termodinamike zakon o uštedi energije.

Prije svega, prvi zakon termodinamike izveden je za izolirane sustave. Kasnije je dokazano da je zakon univerzalan i da se može primijeniti na otvorene sustave, ako ispravno uzmemo u obzir promjenu unutarnje energije koja nastaje zbog fluktuacija količine tvari u sustavu. Ako sustav u pitanju prelazi iz stanja A u stanje B, tada će se posao koji izvodi sustav W i količina topline Q razlikovati. Različiti procesi daju nejednako očitavanje tih varijabli čak i ako sustav na kraju dođe u svoje prvobitno stanje. Ali razlika je W - Q uvijek će biti ista. Drugim riječima, ako se nakon bilo kakvog utjecaja sustav vrati u svoje prvobitno stanje, tada se bez obzira na vrstu procesa koji su uključeni u transformaciju takvog sustava, promatra pravilo W - Q = const .

U nekim je slučajevima prikladnije koristiti diferencijalnu formulu za izražavanje prvog zakona. Izgleda ovako: dU = dW- dQ

ovdje dU - beskonačno mala promjena unutarnje energije

dW - vrijednost koja označava beskonačno mali rad sustava

dQ - beskonačno mala količina topline koja se prenosi u ovaj sustav.

entalpija

Za širu primjenu prvog zakona termodinamike uveden je koncept entalpije.

To je naziv ukupne količine ukupne energije tvari i proizvoda volumena i tlaka. Fizička ekspresija entalpije može se predstaviti sljedećom formulom:

H = U + pV

Apsolutna vrijednost entalpije je zbroj entalpija svih dijelova sustava.
U kvantitativnom smislu ova se vrijednost ne može odrediti. Fizičari djeluju samo s razlikom entalpija konačnog i početnog stanja sustava. Uostalom, za bilo kakve izračune, promjene u stanju sustava odaberite određenu razinu na kojoj potencijalne energije jednako je nuli. Slično tome, rade se u izračunu entalpije. Ako primijenimo pojam entalpije, tada će prvi zakon termodinamike za izoprocese izgledati ovako: dU = dW- dH

Entalpija bilo kojeg sustava ovisi o unutarnjoj strukturi tvari koje čine ovaj sustav. Ti pokazatelji, pak, ovise o strukturi tvari, njezinoj temperaturi, količini i tlaku. Za složene tvari moguće je izračunati standardnu ​​entalpiju formacije, koja je jednaka količini topline koja je potrebna za formiranje krtice tvari iz jednostavnih komponenti. Standardna entalpijska vrijednost je u pravilu negativna, jer se u sintezi složenih tvari u većini slučajeva oslobađa toplina.

Prvi zakon termodinamike u adijabatskim procesima

Primjena prvog zakona termodinamike za izoprocese može se smatrati grafički. Na primjer, razmotrite adijabatski proces u kojem količina topline ostaje konstantna tijekom cijelog vremena, to jest, Q = const . Takav izoproces se odvija u toplinski izoliranim sustavima, ili u tako kratkom vremenu da sustav nema vremena za razmjenu topline s vanjskom okolinom. Spora ekspanzija plina u dijagramu volumena-tlak opisana je sljedećom krivuljom:

Prema rasporedu moguće je potkrijepiti primjenu prvog zakona termodinamike na izoprocese. Budući da nema promjene u količini topline u adijabatskom procesu, promjena unutarnje energije jednaka je količini proizvedenog rada. dU = - dW

Iz toga slijedi da se unutarnja energija sustava smanjuje, a njezina temperatura pada.

Primjeri adijabatskih procesa

Isto je tako i obratno: smanjenje tlaka u odsutnosti izmjene topline naglo povećava temperaturu sustava. Otprilike se plin širi u motorima s unutarnjim izgaranjem. U dizelskim motorima, zapaljivi plin se komprimira 15 puta. Kratkotrajno povećanje temperature omogućava zapaljivoj smjesi da se samozapalje.

Drugi primjer adijabatskog procesa može se razmotriti - slobodno širenje plinova. Da biste to učinili, razmotrite ovu instalaciju koja se sastoji od dva spremnika:

U prvom spremniku je plin, u drugom je odsutan. Okrećući slavinu, pobrinut ćemo se da plin popuni cijeli volumen koji mu je dodijeljen. Uz dovoljnu izolaciju sustava, temperatura plina ostaje nepromijenjena. Budući da plin nije radio, varijabla dW = const . Pokazalo se da se, s obzirom na jednake uvjete, temperatura plina smanjuje tijekom ekspanzije. Proširenje plina je neujednačeno, stoga se taj proces ne može prikazati na dijagramu tlak-volumen.

Prvi zakon termodinamike je univerzalni zakon koji se primjenjuje na sve vidljive procese svemira. Duboko razumijevanje uzroka određenih transformacija energije omogućuje nam razumijevanje postojećih fizičkih fenomena i otkrivanje novih zakona.