Earste Wet fan Thermodynamika Materiaal
Termodynamysk proses
Waarmte (Q) is enerzjy dy't fan it iene objekt nei it oare beweecht fanwegen in temperatuerferskil. Yn relaasje ta it systeem en de omjouwing kin waarmte sein wurde as enerzjy dy't fan it systeem nei de omjouwing beweecht of enerzjy dy't fan 'e omjouwing nei it systeem beweecht fanwegen in temperatuerferskil. As de systeemtemperatuer heger is as de omjouwingstemperatuer, sil waarmte fan it systeem nei de omjouwing streame. Omkeard, as de omjouwingstemperatuer heger is as de systeemtemperatuer, sil waarmte fan 'e omjouwing nei it systeem streame.
As waarmte (Q) relatearre is oan de oerdracht fan enerzjy fanwegen in ferskil yn temperatuer, dan Wurk (W) hat betrekking op de oerdracht fan enerzjy dy't plakfynt fia meganyske middels. Bygelyks, as in systeem wurk docht oan it miljeu, dan sil enerzjy automatysk fan it systeem nei it miljeu bewege. Omkeard, as de omjouwing wurk docht oan it systeem, dan sil enerzjy fan 'e omjouwing nei it systeem bewege.
Ien ienfâldich foarbyld fan enerzjy-oerdracht tusken in systeem en syn omjouwing mei waarmte en arbeid is hjitte stoom dy't tsjin in pannedeksel drukt. De oanwêzigens fan waarmte feroarsaket dat it systeem (stoom) tsjin it pannedeksel drukt (de stoom docht wurk oan 'e omjouwing). Dit is ien foarbyld fan in feroaring yn 'e steat fan in systeem fanwegen de oerdracht fan enerzjy tusken it systeem en syn omjouwing. Der binne in protte oare foarbylden. Feroarings yn 'e steat fan in systeem fanwegen de oerdracht fan enerzjy tusken it systeem en syn omjouwing mei waarmte en arbeid wurde termodynamyske prosessen neamd.
Ynterne enerzjy en de earste wet fan termodynamika
Ynterne enerzjy De (U) fan in systeem is de som fan alle kinetyske enerzjy's fan 'e molekulen yn it systeem, plus de som fan alle potinsjele enerzjy's dy't ûntsteane troch de ynteraksjes tusken de molekulen yn it systeem. Wy ferwachtsje dat as waarmte fan 'e omjouwing nei it systeem streamt (it systeem ûntfangt enerzjy), de enerzjy yn it systeem tanimt... Omkeard, as it systeem wurk docht oan 'e omjouwing (it systeem frijmakket enerzjy), nimt de enerzjy yn it systeem ôf.
Sa kin, basearre op it prinsipe fan behâld fan enerzjy, konkludearre wurde dat de feroaring yn enerzjy yn it systeem = Waarmte tafoege oan it systeem (it systeem ûntfangt enerzjy) - Arbeid dien troch it systeem (it systeem jout enerzjy frij). Wiskundich:
Dizze fergeliking jildt foar in sletten systeem (In sletten systeem is in systeem dat allinich enerzjy-útwikseling tusken it systeem en de omjouwing mooglik makket). Foar in isolearre sletten systeem komt gjin enerzjy it systeem yn of út, dêrom is de feroaring yn ynterne enerzjy = 0.
Dizze fergeliking jildt ek foar iepen systemen as wy rekken hâlde mei de feroarings yn enerzjy yn it systeem troch de tafoeging en fermindering fan 'e hoemannichte matearje (In iepen systeem is in systeem dat de útwikseling fan matearje en enerzjy tusken it systeem en de omjouwing mooglik makket). De earste wet fan 'e termodynamika waard formulearre yn 'e njoggentjinde iuw, neidat waarmte begrepen waard as enerzjy dy't oerdroegen waard troch temperatuerferskillen.
Ynterne enerzjy is in kwantiteit dy't de mikroskopyske steat fan in systeem beskriuwt. De kwantiteit dy't de mikroskopyske steat fan in systeem beskriuwt (ynterne enerzjy) kin net direkt bepaald wurde. Wat wy analysearje yn 'e fergeliking fan' e Earste Wet fan 'e Termodynamika is allinich de feroaring yn ynterne enerzjy. Feroarings yn ynterne enerzjy kinne bepaald wurde troch de enerzjy dy't tafoege wurdt oan it systeem en de enerzjy dy't frijkomt troch it systeem yn 'e foarm fan waarmte en arbeid. Omkeard kinne kwantiteiten dy't makroskopyske steaten beskriuwe direkt bepaald wurde. Kwaliteiten dy't makroskopyske steaten beskriuwe binne temperatuer (T), druk (p), folume (V) en massa (m) of it oantal mol (n). Waarmte en arbeid binne allinich belutsen by it proses fan enerzjy-oerdracht tusken it systeem en syn omjouwing; it binne gjin kwantiteiten dy't de steat fan it systeem beskriuwe.
Tekenregels foar waarmte (Q) en arbeid (W)
De tekenregels foar Waarmte en Arbeid binne yn oerienstimming mei de Earste Wet fan Termodynamika. Waarmte (Q) yn 'e boppesteande fergeliking stiet foar de waarmte dy't tafoege wurdt oan it systeem (Q is posityf), wylst Arbeid (W) yn 'e boppesteande fergeliking it wurk fertsjintwurdiget dat troch it systeem dien wurdt (W is posityf). As waarmte it systeem ferlit, dan is Q negatyf. Omkeard, as der arbeid dien wurdt oan it systeem, dan is W negatyf.
Foarbyldfraach 1:
As 2000 Joule waarmte tafoege wurde oan in systeem, wylst it systeem 1000 Joule wurk docht, wat is dan de feroaring yn 'e ynterne enerzjy fan it systeem?
Diskusje
It systeem krijt ekstra waarmte (enerzjy) fan 2000 Joule. It systeem docht ek wurk (enerzjyfrijlitting) fan 1000 Joule. Dêrom is de feroaring yn enerzjy fan it systeem = 1000 Joule.
Foarbyldfraach 2:
As 2000 Joule waarmte it systeem ferlit en it systeem 1000 Joule wurk docht, wat is dan de feroaring yn 'e ynterne enerzjy fan it systeem?
Diskusje
As waarmte it systeem ferlit, betsjut dit dat Q in negative wearde hat.
2000 Joule waarmte ferlit it systeem (it systeem jout enerzjy frij). 1000 Joule wurk wurdt ek dien (it systeem jout enerzjy frij). Sa nimt de enerzjy yn it systeem ôf mei 3000 J.
Foarbyldfraach 3:
As 2000 Joule waarmte tafoege wurde oan in systeem en 1000 Joule wurk wurdt dien oan it systeem, wat is dan de feroaring yn 'e ynterne enerzjy fan it systeem?
Diskusje
As der wurk dien wurdt oan it systeem, dan is W negatyf.
It systeem krijt ekstra waarmte (it systeem krijt enerzjy) fan 2000 Joule en der wurdt wurk dien oan it systeem (it systeem krijt enerzjy) fan 1000 Joule. Sa nimt de enerzjy yn it systeem ta mei 3000 Joule.
EarsteDe measte systemen dy't wy teoretysk analysearje yn dit ûnderwerp binne gassen. Wy brûke gassen om't har makroskopyske eigenskippen (temperatuer, druk en folume) makliker te bepalen binne. By it analysearjen fan gassen beskôgje wy se noch altyd as ideale gassen. Dit is gewoan om de analyze te ferienfâldigjen. Wy brûke gjin echte gassen, om't echte gassen har typysk ôfwikend gedrage by hege druk.
Twadde, as it systeem dat wy analysearje in ideaal gas is, dan kin de ynterne enerzjy berekkene wurde mei de fergeliking dy't de relaasje oanjout tusken de ynterne enerzjy fan in ideaal gas en de temperatuer fan it ideale gas: U = 3/2 nRT (de ynterne enerzjyfergeliking fan in monatomysk ideaal gas).
It wurk dat it systeem docht tidens de feroaring yn folume
Foardat wy fierder geane, litte wy earst it wurk beskôgje dat it systeem op syn omjouwing docht. Om de hoemannichte wurk (W) dy't it systeem docht te berekkenjen, beskôgje in ideaal gas yn in kontener dy't sluten wurdt troch in piston. De piston kin op en del bewege wurde. Dizze figuer is ferienfâldige ta twa dimensjes. Beskôgje it as trijediminsjonaal. Folume = lingte x breedte x hichte.
In ideaal gas wurdt fertsjintwurdige troch punten dy't yn in kontener lizze. De boaiem fan 'e kontener is yn kontakt mei in objekt mei hege temperatuer (fergelykber mei wetter yn in panne dy't boppe in flam ferwaarme wurdt). It objekt mei hege temperatuer is net opnommen yn 'e ôfbylding, stel it jo gewoan foar 😉 It ideale gas yn 'e kontener is it systeem, wylst oare objekten bûten de kontener, ynklusyf it objekt mei hege temperatuer yn kontakt mei de boaiem fan 'e kontener, de omjouwing binne. Omdat de omjouwingstemperatuer heger is as de systeemtemperatuer, streamt waarmte natuerlik fan 'e omjouwing nei it systeem. De tafoeging fan enerzjy út 'e omjouwing feroarsaket dat de ynterne enerzjy fan it systeem (ideaal gas) tanimt. De ynterne enerzjy fan in ideaal gas is direkt evenredich mei de temperatuer (U = 3/2 nRT), dêrom as de ynterne enerzjy fan in ideaal gas tanimt, nimt de temperatuer fan it ideale gas ek ta. In tanimming fan 'e temperatuer fan in ideaal gas feroarsaket dat it ideale gas útwreidet en de piston in ôfstân s drukt. As de piston in ôfstân s drukt wurdt, docht it systeem (ideaal gas) wurk oan 'e omjouwing (bûtenlucht).
Yn it earstoan is de systeemdruk heech (P1) en it systeemfolume leech (V1). De druk is omgekeerd evenredich mei it folume. Nei't waarmte fan 'e omjouwing nei it systeem streamt en it systeem wurk docht oan 'e omjouwing, nimt it systeemfolume ta (V2) en nimt de systeemdruk ôf (P2).
De hoemannichte wurk dy't it systeem yn it boppesteande proses dien hat is:
Arbeid (W) = Drukkrêft (F) x ferpleatsing (s). Om't drukkrêft (F) = druk (P) x oerflak (A) fan 'e piston, kin de Arbeidsfergeliking skreaun wurde as:
W = Fs ‐‐‐‐‐ F = PA
W = PAs ‐‐‐‐‐ As = V
W = PV
It is wichtich om te notearjen dat it wurk dat troch in systeem dien wurdt, plakfynt tidens in feroaring yn folume. Dêrom kin it totale wurk dat troch it systeem dien wurdt, wurde krigen troch de feroaring yn druk te fermannichfâldigjen mei de feroaring yn folume. Wiskundich:
W = (eindruk – begjindruk)(einfolume – begjinfolume)
W = (P2 - P1)(V2 - V1)
Earste, kin de feroaring yn systeemfolume yn it boppesteande proses maklik bepaald wurde. De begjin- en einfolumes fan it systeem kinne bepaald wurde troch it folume fan 'e kontener te berekkenjen. Dêrom, om de hoemannichte wurk (W) dy't troch it systeem dien wurdt te berekkenjen, moatte wy witte hoe't de druk feroaret tidens it proses.
As de druk (p) fan in systeem ûnregelmjittich feroaret as it folume (V) feroaret, dan kin de hoemannichte wurk dien troch it systeem berekkene wurde mei kalkulus. As jo net bekend binne mei kalkulus, binne d'r alternativen dy't jo brûke kinne. Litte wy earst in grafyk tekenje dy't de relaasje tusken druk en folume sjen lit. De hoemannichte wurk dien troch it systeem = it skaadgebiet ûnder de p-V-kromme.
Druk tsjin folumegrafyk foar drukferoarings dy't unregelmjittich foarkomme.
Inisjele systeemdruk = p1 (hege druk) en systeemfolume = V1 (lyts folume). Nei't it systeem wurk dien hat oan 'e omjouwing, feroaret de systeemdruk nei p2 (lytse druk) en it folume fan it systeem feroaret nei V2 (grut folume). De hoemannichte wurk (W) dien troch it systeem = skaadgebiet. De foarm fan 'e kromme is krom, om't de druk fan it systeem (ideaal gas) ûnregelmjittich feroaret tidens it proses.
As de druk (p) fan in systeem konstant bliuwt as it folume (V) feroaret, dan kin de hoemannichte wurk dien troch it systeem maklik berekkene wurde. De hoemannichte wurk dien troch it systeem kin berekkene wurde mei in fergeliking of kin fûn wurde út it skaadgebiet ûnder de P-V-kromme. Yn dit gefal kin de boppesteande wurkfergeliking as folget oanpast wurde:
W = (P2 - P1)(V2 - V1)
Omdat de druk (p) altyd konstant is, dan is P2 =P1 =P
W = P (V2 - V1)
Druk tsjin folumegrafyk foar in proses wêrby't de druk altyd konstant is, d.w.s. net feroaret:
Yn it earstoan wie it systeemvolume = V1 (lyts folume). Nei't it systeem wurk dien hat oan 'e omjouwing, feroaret it folume fan it systeem nei V2 (grut folume). De systeemdruk is altyd konstant, wat betsjut dat it net feroaret. De hoemannichte wurk (W) dy't troch it systeem dien wurdt = it skaadgebiet.
Twadder docht it systeem wurk oan 'e omjouwing as it folume fan it systeem tanimt. Omkeard docht de omjouwing wurk oan it systeem as it folume fan it systeem ôfnimt. As it folume fan it systeem net feroaret tidens it proses, kin it systeem gjin wurk dwaan oan 'e omjouwing, en kin de omjouwing gjin wurk dwaan oan it systeem. Yn dit gefal is wurk (W) = 0.
