Artikulo bahin sa Paggamit sa Unang Balaod sa Termodinamika sa pipila ka mga proseso sa Termodinamika
Kaniadto, atong gihisgutan ang Unang Balaod sa Thermodynamics ug gisusi ang trabaho nga gihimo sa usa ka sistema. Niining higayona, atong susihon ang pipila ka aplikasyon sa Unang Balaod sa Thermodynamics sa upat ka proseso sa thermodynamic. Ang upat ka proseso sa thermodynamic nga gihisgutan mao ang isothermal, isochoric, isobaric, ug adiabatic. Kini nga mga termino gikan sa Griyego.
Proseso sa Isothermal (kanunay nga temperatura)
Una, atong ribyuhon ang paggamit sa unang balaod sa thermodynamics sa usa ka isothermal nga proseso. Sa usa ka isothermal nga proseso, ang temperatura sa sistema gipadayon nga makanunayon. Ang sistema nga atong gisusi sa teyorya usa ka ideal nga gas. Ang temperatura sa usa ka ideal nga gas direktang proporsyonal sa internal nga enerhiya sa ideal nga gas (U = 3/2 nRT). Tungod kay ang T nagpabilin nga makanunayon, ang U nagpabilin usab nga makanunayon. Busa, kung gamiton sa usa ka isothermal nga proseso, ang equation alang sa unang balaod sa thermodynamics mahimong:
Gikan niining mga resulta, mahimong mahinuha nga sa usa ka isothermal nga proseso (kanunay nga temperatura), ang kainit (Q) nga gidugang sa sistema gigamit sa sistema aron mobuhat og trabaho (W).
Ang mga pagbag-o sa presyur ug volume sa sistema sa usa ka isothermal nga proseso gipakita sa graph sa ubos:
Sa sinugdanan ang gidaghanon sa sistema = V1 (gamay nga volume) ug presyur sa sistema = P1 (taas nga presyur). Aron magpabiling makanunayon ang temperatura sa sistema, human madugang ang kainit sa sistema, ang sistema molapad ug motrabaho sa palibot. Human ang sistema motrabaho sa palibot, ang gidaghanon sa sistema mausab ngadto sa V2 (mosaka ang gidaghanon sa sistema) ug ang presyur sa sistema mausab ngadto sa P2 (mokunhod ang presyur sa sistema). Ang graph kurbado tungod kay ang presyur sa sistema dili kanunay nga mausab atol sa proseso. Ang gidaghanon sa trabaho nga nahimo sa sistema = ang gilandongan nga lugar.
Proseso sa Adiabatic
Sa usa ka adiabatic nga proseso, walay kainit nga idugang o mobiya sa sistema (Q = 0). Ang mga prosesong adiabatic mahimong mahitabo sa sirado ug maayo nga nahimulag nga mga sistema. Alang sa usa ka maayo nga nahimulag ug sirado nga sistema, kasagaran walay kainit nga moagos ngadto o mobiya sa sistema sa gusto niini. Ang mga prosesong adiabatic mahimo usab nga mahitabo sa sirado ug dili nahimulag nga mga sistema.
Sa kini nga kaso, ang proseso kinahanglan nga himuon dayon aron ang kainit dili makaagi og panahon sa pag-agos pasulod o gawas sa sistema. Kung ipadapat sa usa ka proseso nga adiabatic, ang ekwasyon sa Unang Balaod sa Thermodynamics mausab niini nga porma:
Kon ang sistema dali nga ma-compress (ang trabaho nahimo sa sistema), nan ang trabaho negatibo. Tungod kay ang W negatibo, nan ang U positibo (ang enerhiya sa sistema motaas). Sa laing bahin, kon ang sistema molapad o molapad dayon (ang sistema molihok), nan ang W positibo. Tungod kay ang W positibo, nan ang U negatibo (ang enerhiya sa sistema mokunhod). Ang enerhiya sa sistema (ideal gas) direktang proporsyonal sa temperatura (U = 3/2 nRT), busa kon ang enerhiya sa sistema motaas nan ang temperatura sa sistema motaas usab. Sa laing bahin, kon ang enerhiya sa sistema mokunhod nan ang temperatura sa sistema mokunhod.
Ang mga pagbag-o sa presyur ug volume sa sistema sa usa ka prosesong adiabatic gipakita sa graph sa ubos:
Kon ang sistema dali nga ma-compress (ang trabaho nahimo sa sistema), nan ang trabaho negatibo. Tungod kay ang W negatibo, nan ang U positibo (ang enerhiya sa sistema motaas). Sa laing bahin, kon ang sistema molapad o molapad dayon (ang sistema molihok), nan ang W positibo. Tungod kay ang W positibo, nan ang U negatibo (ang enerhiya sa sistema mokunhod). Ang enerhiya sa sistema (ideal gas) direktang proporsyonal sa temperatura (U = 3/2 nRT), busa kon ang enerhiya sa sistema motaas nan ang temperatura sa sistema motaas usab. Sa laing bahin, kon ang enerhiya sa sistema mokunhod nan ang temperatura sa sistema mokunhod.
Ang mga pagbag-o sa presyur ug volume sa sistema sa usa ka prosesong adiabatic gipakita sa graph sa ubos:
Ang adiabatic curve niini nga graph (mga kurba 1-2) mas titip kay sa isothermal curve (mga kurba 1-3). Kini nga kalainan sa titip nagpakita nga sa parehas nga pagtaas sa volume, ang presyur sa sistema mas mikunhod sa proseso sa adiabatic kon itandi sa proseso sa isothermal. Ang presyur sa sistema mas mikunhod sa proseso sa adiabatic tungod kay kung mahitabo ang adiabatic expansion, ang temperatura sa sistema mikunhod usab. Ang temperatura direktang proporsyonal sa presyur, busa, kung ang temperatura sa sistema mikunhod, ang presyur sa sistema mikunhod usab. Sa kasukwahi, sa usa ka proseso sa isothermal, ang temperatura sa sistema nagpabilin nga makanunayon. Busa, sa usa ka proseso sa isothermal, ang temperatura wala makaapekto sa pagkunhod sa presyur.
Usa ka ehemplo sa proseso nga susama sa adiabatic compression ang mahitabo sa internal combustion engines, sama sa diesel ug gasoline engines. Sa diesel engine, ang hangin gisuyop ngadto sa silindro ug paspas nga gi-compress gamit ang piston (trabaho ang gihimo sa hangin). Ang adiabatic compression process (pagkunhod sa system volume) gipakita sa curve 2-1. Tungod kay ang hangin paspas nga gi-compress sa adiabatic nga paagi, ang temperatura sa hangin paspas nga mosaka. Sa samang higayon, ang diesel gi-spray ngadto sa silindro pinaagi sa injector, ug ang sagol gisiga dayon (mahitabo ang pagkasunog). Sa gasoline engine, ang air-gasoline mixture gisuyop ngadto sa silindro ug paspas nga gi-compress gamit ang piston. Tungod kay ang compression paspas nga adiabatic, ang temperatura niini paspas nga mosaka. Sa samang higayon, ang spark plug nagpatunghag spark, nga hinungdan sa pagkasunog.
Proseso nga Isochoric (kanunay nga gidaghanon)
Sa usa ka prosesong isochoric, ang volume sa sistema gipadayon nga makanunayon. Tungod kay ang volume sa sistema nagpabilin nga makanunayon, ang sistema dili makahimo og trabaho sa palibot. Ingon man usab, ang palibot dili makahimo og trabaho sa sistema. Kung ipadapat sa usa ka prosesong isochoric, ang equation sa Unang Balaod sa Thermodynamics mahimong:
Gikan niining mga resulta, makahinapos kita nga sa usa ka isochoric nga proseso (kanunay nga gidaghanon), ang kainit (Q) nga gidugang sa sistema gigamit aron madugangan ang internal nga enerhiya sa sistema.
Ang mga pagbag-o sa presyur ug volume sa sistema sa usa ka isochoric nga proseso gipakita sa graph sa ubos:
Sa sinugdanan, ang presyur sa sistema = p 1 (ubos nga presyur). Ang pagdugang sa kainit sa sistema hinungdan sa pagtaas sa internal nga enerhiya sa sistema. Tungod kay ang internal nga enerhiya sa sistema motaas, ang temperatura sa sistema (ideal gas) motaas (U = 3/2 nRT). Ang temperatura direktang proporsyonal sa presyur. Busa, kon ang temperatura sa sistema motaas, ang presyur sa sistema motaas (p 2 ). Tungod kay ang gidaghanon sa sistema kanunay, walay trabaho nga nahimo (walay landong nga lugar).
Sama sa giingon kaniadto, sa usa ka prosesong isochoric, ang sistema dili makahimo og trabaho sa palibot. Ingon man usab, ang palibot dili makahimo og trabaho sa sistema. Kini tungod kay sa usa ka prosesong isochoric, ang volume sa sistema magpabilin nga makanunayon, nagpasabut nga dili kini mausab. Ang pipila ka mga matang sa trabaho wala maglakip sa mga pagbag-o sa volume. Busa, bisan kung ang volume sa sistema magpabilin nga makanunayon, ang trabaho mahimo gihapon sa sistema. Pananglitan, ang usa ka bentilador ug usa ka baterya anaa sa usa ka sirado nga sudlanan. Ang bentilador mahimong motuyok gamit ang enerhiya nga gihatag sa baterya. Sa kini nga kaso, ang bentilador, baterya, ug hangin sa sulod sa sudlanan giisip nga usa ka sistema.
Kon motuyok ang bentilador, mo-trabaho kini sa hangin sa sudlanan. Sa samang higayon, ang kinetic energy sa bentilador mabag-o ngadto sa enerhiya sa hangin. Ang enerhiya sa kuryente sa baterya natural nga mokunhod tungod kay kini nabag-o ngadto sa enerhiya sa hangin. Kini nga pananglitan nagpakita nga sa usa ka isochoric nga proseso (kanunay nga volume), ang trabaho mahimo gihapon sa sistema (trabaho nga wala maglakip sa pagbag-o sa volume).
Proseso nga Isobaric (kanunay nga presyur)
Sa usa ka prosesong isobaric, ang presyur sa sistema gipadayon nga makanunayon. Tungod kay ang makanunayon mao ang presyur, ang mga pagbag-o sa internal nga enerhiya (delta U), kainit (Q), ug trabaho (W) sa usa ka prosesong isobaric dili gyud sero. Busa, ang unang balaod sa thermodynamics nagpabilin nga wala mausab:
ΔU = Q − W
Ang mga pagbag-o sa presyur ug volume sa gas sa prosesong isobaric gipakita sa graph sa ubos:
Sa sinugdanan, ang gidaghanon sa sistema = V1 ( gamay nga gidaghanon). Tungod kay ang presyur gipadayon nga makanunayon, human madugang ang kainit sa sistema, ang sistema molapad ug mohimo og trabaho sa palibot. Human sa pagbuhat og trabaho sa palibot, ang gidaghanon sa sistema mausab ngadto sa V2 (ang gidaghanon sa sistema motaas). Ang gidaghanon sa trabaho (W) nga nahimo sa sistema = ang gilandongan nga lugar.
Pananglitan nga pangutana 1:
Ang mga kurba 1-2 sa duha ka dayagram sa ubos nagpakita sa pagpalapad sa gas (pagtaas sa gidaghanon sa gas) nga mahitabo sa adiabatically ug isothermally. Sa unsang proseso nga ang trabaho nga gihimo sa gas mas gamay?
Ang trabaho nga gihimo sa gas sa usa ka adiabatic nga proseso mas gamay kay sa trabaho nga gihimo sa gas sa usa ka isothermal nga proseso. Ang shaded area = ang trabaho nga gihimo sa gas atol sa proseso sa pagpalapad (pagtaas sa gidaghanon sa gas). Ang shaded area sa usa ka adiabatic nga proseso mas gamay kay sa shaded area sa usa ka isothermal nga proseso.
Pananglitan nga pangutana 2:
Usa ka serye sa mga proseso sa thermodynamic ang gipakita sa dayagram sa ubos. Ang mga kurba a-b ug d-c = mga proseso sa isochoric (kanunay nga volume). Ang mga kurba b-c ug a-d = mga proseso sa isobaric (kanunay nga pressure). Sa proseso a-b, 600 Joules sa kainit (Q) ang gidugang sa sistema. Sa proseso b-c, 800 Joules sa kainit (Q) ang gidugang sa sistema. Tinoa:
a) Mga pagbag-o sa internal nga enerhiya sa mga proseso a-b
b) Mga pagbag-o sa internal nga enerhiya sa prosesong a-b-c
c) Kinatibuk-ang kainit nga gidugang sa proseso sa a-d-c
P1 = 2 x 105 Pa = 2 x 105 N / m2
P2 = 4 x 105 Pa = 4 x 105 N / m2
V 1 = 2 ka litro = 2 dm 3 = 2 x 10 ‐3 m 3
V 2 = 4 ka litro = 2 dm 3 = 4 x 10 ‐3 m 3
Panaghisgot
a) Mga pagbag-o sa internal nga enerhiya sa mga proseso a-b
Sa prosesong a-b, 600 J nga kainit ang gidugang sa sistema. Ang prosesong a-b usa ka prosesong isochoric (kanunay nga gidaghanon). Sa prosesong isochoric, ang pagdugang sa kainit sa sistema nagdugang lamang sa internal nga enerhiya sa sistema. Busa, ang pagbag-o sa internal nga enerhiya sa sistema human madawat ang kontribusyon sa kainit mao ang:
ΔU = Q
ΔU = 600 J
b) Mga pagbag-o sa internal nga enerhiya sa prosesong a-b-c
Proseso a-b = prosesong isochoric (kanunay nga gidaghanon). Sa prosesong a-b, 600 J nga kainit ang gidugang.
ngadto sa sistema. Tungod kay ang volume kanunay, walay trabaho nga gihimo sa sistema.
Proseso b-c = prosesong isobaric (kanunay nga presyur). Sa prosesong b-c, 800 Joules nga kainit (Q) ang gidugang sa sistema. Sa usa ka prosesong isobaric, ang sistema makahimo og trabaho. Ang gidaghanon sa trabaho nga nahimo sa sistema sa prosesong b-c (prosesong isobaric) mao ang:
W = P (V₂ ‐ V₂ ) ‐‐‐ kanunay nga presyur
W = P₂ ( V₂ ‐ V₂ )
W = 4 x 10⁻5 N /m² ( 4 x 10‐3 m² ‐ 2 x 10‐3 m² )
W = 4 x 10⁻5 N /m² ( 2 x 10‐3 m² )
W = 8 x 102 Joules
W = 800 Joule
Ang kinatibuk-ang kainit nga gidugang sa sistema sa prosesong a-b-c mao ang:
Q total = Q ab + Q bc
Q nga kinatibuk-an = 600 J + 800 J
Q nga kinatibuk-an = 1400 Joule
Ang kinatibuk-ang trabaho nga nahimo sa sistema sa prosesong a-b-c mao ang:
W total = W ab + W bc
W total = 0 + W bc
W nga kinatibuk-an = 0 + 800 Joule
W nga kinatibuk-an = 800 Joule
Ang pagbag-o sa enerhiya sa sistema sa prosesong a-b-c mao ang:
ΔU = Q − W
ΔU = 1400 J − 800 J
ΔU = 600 J
Pagbag-o sa internal nga enerhiya sa proseso a-b-c = 600 J
c) Kinatibuk-ang kainit nga gidugang sa proseso sa a-d-c
Ang kinatibuk-ang kainit nga gidugang sa sistema makita pinaagi sa equation sa ubos:
ΔU = Q − W
Q = ΔU + W
Kinatibuk-ang kainit nga nadugang sa prosesong a-d-c = pagbag-o sa internal nga enerhiya sa prosesong a-d-c + kinatibuk-ang trabaho nga nahimo sa prosesong a-d-c.
Ang kainit ug trabaho nalambigit sa pagbalhin sa enerhiya tali sa sistema ug sa palibot niini, samtang ang mga pagbag-o sa internal nga enerhiya resulta sa pagbalhin sa enerhiya tali sa sistema ug sa palibot niini. Busa, ang mga pagbag-o sa internal nga enerhiya wala magdepende sa proseso sa pagbalhin sa enerhiya. Sa laing bahin, ang kainit ug trabaho nagdepende pag-ayo sa proseso. Sa usa ka isochoric nga proseso (kanunay nga gidaghanon), ang pagbalhin sa enerhiya anaa lamang sa porma sa kainit, apan dili trabaho. Sa usa ka isobaric nga proseso (kanunay nga presyur), ang pagbalhin sa enerhiya naglambigit sa kainit ug trabaho. Bisan kung independente sa proseso, ang mga pagbag-o sa internal nga enerhiya nagdepende sa inisyal ug katapusang mga estado sa sistema. Kung ang inisyal ug katapusang mga estado parehas, ang pagbag-o sa internal nga enerhiya kanunay nga parehas, bisan kung ang mga proseso nga nalambigit lahi.
Ang inisyal nga kahimtang ug katapusang kahimtang para sa prosesong a-b-c sa graph sa ibabaw = ang inisyal nga kahimtang ug katapusang kahimtang sa prosesong a-d-c. Busa, ang pagbag-o sa internal nga enerhiya sa prosesong a-d-c = 600 J.
Kinatibuk-ang trabaho (W) nga nahimo sa prosesong a-d-c = W sa prosesong a-d + W sa prosesong d-c.
Ang prosesong a-d usa ka prosesong isobaric (kanunay nga presyur), samtang ang prosesong d-c usa ka prosesong isochoric (kanunay nga gidaghanon). Tungod kay ang gidaghanon kanunay, walay trabaho nga nahimo sa prosesong d-c. Una, atong kuwentahon ang trabaho nga nahimo sa prosesong a-d.
W ad = P (V 2 ‐ V 1 )
W ad = P 1 (V 2 ‐ V 1 )
W ad = 2 x 10⁻5 N /m² ( 4 x 10‐3 m² ‐ 2 x 10‐3 m² )
W ad = 2 x 10⁻5 N /m² ( 2 x 10‐3 m² )
W ad = 4 x 102 Joule
W ad = 400 Joule
W total = W sa proseso a-d + W sa proseso d-c
W nga kinatibuk-an = 400 Joules + 0
W nga kinatibuk-an = 400 Joule
Busa, ang gidaghanon sa kainit nga gidugang sa proseso sa a-d-c mao ang:
Q = ΔU + W
Q = 600 J + 400 J
Q = 1000 J
Pananglitan nga pangutana 3:
Ang 1 litro nga tubig mahimong 1671 ka litro nga alisngaw kon pabukalan sa presyur nga 1 atm. Tinoa ang pagbag-o sa internal energy ug ang gidaghanon sa trabaho nga nahimo sa tubig kon kini moalisngaw… (Kainit sa pag-alisngaw sa tubig = L V = 22,6 x 10 5 J/Kg)
Panaghisgot
Densidad sa tubig = 1000 kg/ m3
L V = 22,6 x 105 J /Kg
P = 1 atm = 1,013 x 105 Pa = 1,013 x 105 N/ m2
V 1 = 1 litro = 1 dm 3 = 1 x 10 ‐3 m 3 (Gidaghanon sa tubig)
V 2 = 1671 ka litro = 1671 dm 3 = 1671 x 10 ‐3 m 3 (Gidaghanon sa alisngaw)
a) Mga pagbag-o sa internal nga enerhiya
Pagbag-o sa internal nga enerhiya = Kainit nga gidugang sa tubig – Trabaho nga gihimo sa tubig kung kini moalisngaw. Una, atong kwentahon ang kainit (Q) nga gidugang sa tubig...
Q = mL V
Misa (m) sa tubig?
Densidad sa tubig = masa sa tubig / gidaghanon sa tubig
Misa sa tubig (m) = (densidad sa tubig) (gidaghanon sa tubig)
Misa sa tubig (m) = (1000 kg/m³ ) ( 1 x 10‐3 m³ )
Misa sa tubig (m) = (1000 kg/m3 ) (0,001 m3 )
Misa sa tubig (m) = 1 Kg
Q = (1 kg)(22,6 x 105 J /kg)
Q = 22,6 x 10 5 J
Kwentaha ang trabaho (W) nga gihimo sa tubig kung kini moalisngaw. Ang pagbukal sa tubig mahitabo sa kanunay nga presyur (isobaric nga proseso).
W = p ( V₂ – V₂ )
W = 1,013 x 10⁻5 N / m² ( 1671 x 10‐3 m³ – 1 x 10‐3 m³ )
W = 1,013 x 10⁻5 N / m² ( 1670 x 10‐3 m² )
W = 1691,71 x 102 Joules
W = 1,7 x 10 5 Joules
Mga pagbag-o sa enerhiya sa tubig:
ΔU = Q − W
ΔU = 22,6 x 10 5 J − 1 .7 x 10 5 J
ΔU = 20,9 x 10 5 J
ΔU = 21 x 10 5 J
Ang 21 x 10 5 J nga kainit nga gidugang sa tubig gigamit aron madugangan ang internal nga enerhiya niini (pagbuntog sa mga pwersa sa pagdani tali sa mga molekula nga nagpabiling likido ang tubig). Sa ato pa, ang 21 x 10 5 J gigamit aron mahimong alisngaw ang tubig. Kung ang tubig mahimo nang alisngaw, ang nahabilin nga 1,7 x 10 5 J gigamit sa pagbuhat og trabaho.
Pananglitan nga pangutana 4:
Ang 1 mole sa gas sa usa ka silindro kusog nga molapad nga adiabatic. Ang inisyal nga temperatura sa gas kay 1000 K. Human sa paglapad, ang temperatura sa gas mokunhod ngadto sa 500 K. Tinoa ang trabaho nga gihimo sa gas... Panaghisgot
Ang pagpalapad sa gas mahitabo nga adiabatic. Sa usa ka prosesong adiabatic, walay kainit nga mosulod o mogawas sa sistema. Busa, ang trabaho nga gihimo sa gas = ang pagbag-o sa internal nga enerhiya sa gas. Sa matematika, kini gisulat sama sa:
ΔU = Q − W o W = Q − ΔU → Q = 0
W = 0 − ΔU
W = − ΔU
Mahimo natong kuwentahon ang pagbag-o sa internal nga enerhiya sa usa ka gas gamit ang ideal nga equation sa internal nga enerhiya sa gas:
ΔU = U katapusan – U pagsugod
ΔU = 3/2 nR (katapusang T – inisyal nga T)
ΔU = 3/2 (1 mol)(8,315 J/mol.K)(500 K – 1000 K)
ΔU = 3/2 (1 mol)(8,315 J/mol.K)(-500 K)
ΔU = ‐6236,25 J
Busa, ang gidaghanon sa trabaho nga gihimo sa gas mao ang:
W = − ΔU
W = − ( − 6236 , 25 J )
W = 6236, 25 J
