Premye Lwa sou Materyèl Tèmodinamik
Pwosesis tèmodinamik
Chalè (Q) se enèji ki deplase soti nan yon objè al nan yon lòt akòz yon diferans tanperati. An relasyon ak sistèm nan ak anviwònman an, nou ka di chalè se enèji ki deplase soti nan sistèm nan pou ale nan anviwònman an oubyen enèji ki deplase soti nan anviwònman an pou ale nan sistèm nan akòz yon diferans tanperati. Si tanperati sistèm nan pi wo pase tanperati anviwònman an, chalè ap koule soti nan sistèm nan pou ale nan anviwònman an. Okontrè, si tanperati anviwònman an pi wo pase tanperati sistèm nan, chalè ap koule soti nan anviwònman an pou ale nan sistèm nan.
Si Chalè (Q) gen rapò ak transfè enèji akòz yon diferans tanperati, Lè sa a, Travay (W) gen rapò ak transfè enèji ki fèt atravè mwayen mekanik. Pa egzanp, si yon sistèm fè travay sou anviwònman an, Lè sa a, enèji ap otomatikman deplase soti nan sistèm nan nan anviwònman an. Okontrè, si anviwònman an fè travay sou sistèm nan, Lè sa a, enèji ap deplase soti nan anviwònman an nan sistèm nan.
Yon egzanp senp sou transfè enèji ant yon sistèm ak anviwònman li ki enplike chalè ak travay se vapè cho k ap pouse sou kouvèti yon chodyè. Prezans chalè lakòz sistèm nan (vapè a) pouse sou kouvèti chodyè a (vapè a fè travay sou anviwònman an). Sa a se yon egzanp sou yon chanjman nan eta yon sistèm akòz transfè enèji ant sistèm nan ak anviwònman li. Gen anpil lòt egzanp. Chanjman nan eta yon sistèm akòz transfè enèji ant sistèm nan ak anviwònman li ki enplike chalè ak travay yo rele pwosesis termodinamik.
Enèji Entèn ak Premye Lwa Tèmodinamik la
Enèji entèn (U) yon sistèm se sòm tout enèji sinetik molekil ki nan sistèm nan, plis sòm tout enèji potansyèl ki soti nan entèraksyon ant molekil ki nan sistèm nan. Nou espere ke si chalè koule soti nan anviwònman an nan sistèm nan (sistèm nan resevwa enèji), enèji entèn sistèm nan ogmante... Okontrè, si sistèm nan fè travay sou anviwònman an (sistèm nan libere enèji), enèji entèn sistèm nan diminye.
Kidonk, dapre prensip konsèvasyon enèji a, nou ka konkli ke chanjman nan enèji nan sistèm nan = Chalè ajoute nan sistèm nan (sistèm nan resevwa enèji) – Travay sistèm nan fè (sistèm nan libere enèji). Matematikman:
Ekwasyon sa a aplike pou yon sistèm fèmen (Yon sistèm fèmen se yon sistèm ki sèlman pèmèt echanj enèji ant sistèm nan ak anviwònman an). Pou yon sistèm fèmen izole, pa gen enèji ki antre oswa ki soti nan sistèm nan, kidonk, chanjman nan enèji entèn = 0.
Ekwasyon sa a aplike tou pou sistèm ouvè si nou pran an kont chanjman enèji nan sistèm nan akòz adisyon ak rediksyon kantite matyè (Yon sistèm ouvè se yon sistèm ki pèmèt echanj matyè ak enèji ant sistèm nan ak anviwònman an). Premye lwa tèmodinamik la te fòmile nan diznevyèm syèk la, apre yo te fin konprann chalè kòm enèji transfere akòz diferans tanperati.
Enèji entèn se yon kantite ki dekri eta mikwoskopik yon sistèm. Kantite ki dekri eta mikwoskopik yon sistèm (enèji entèn) pa ka detèmine dirèkteman. Sa nou analize nan ekwasyon Premye Lwa Tèmodinamik la se sèlman chanjman nan enèji entèn. Chanjman nan enèji entèn yo ka detèmine akòz enèji ki ajoute nan sistèm nan ak enèji sistèm nan libere sou fòm chalè ak travay. Okontrè, kantite ki dekri eta makroskopik yo ka detèmine dirèkteman. Kantite ki dekri eta makroskopik yo se tanperati (T), presyon (p), volim (V), ak mas (m) oswa kantite mòl (n). Chalè ak travay yo sèlman enplike nan pwosesis transfè enèji ant sistèm nan ak anviwònman li; yo pa kantite ki dekri eta sistèm nan.
Règ siy pou Chalè (Q) ak Travay (W)
Règ siy pou Chalè ak Travay yo konsistan avèk Premye Lwa Tèmodinamik la. Chalè (Q) nan ekwasyon ki anwo a reprezante chalè ki ajoute nan sistèm nan (Q pozitif), alòske Travay (W) nan ekwasyon ki anwo a reprezante travay sistèm nan fè (W pozitif). Si chalè kite sistèm nan, alò Q negatif. Okontrè, si travay fèt sou sistèm nan, alò W negatif.
Egzanp kesyon 1:
Si yo ajoute 2000 Joule chalè nan yon sistèm, pandan sistèm nan ap fè 1000 Joule travay, ki chanjman nan enèji entèn sistèm nan?
Pembahasan
Sistèm nan resevwa chalè (enèji) anplis ki egal a 2000 Joules. Sistèm nan fè tou yon travay (lage enèji) ki egal a 1000 Joules. Kidonk, chanjman nan enèji sistèm nan = 1000 Joules.
Egzanp kesyon 2:
Si 2000 Joule chalè kite sistèm nan epi sistèm nan fè 1000 Joule travay, ki chanjman nan enèji entèn sistèm nan?
Pembahasan
Si chalè kite sistèm nan, sa vle di Q gen yon valè negatif.
2000 Joule chalè kite sistèm nan (sistèm nan libere enèji). 1000 Joule travay fèt tou (sistèm nan libere enèji). Kidonk, enèji nan sistèm nan diminye pa 3000 J.
Egzanp kesyon 3:
Si yo ajoute 2000 Joule chalè nan yon sistèm epi yo fè 1000 Joule travay sou sistèm nan, ki chanjman nan enèji entèn sistèm nan?
Pembahasan
Si gen travay ki fèt sou sistèm nan, alò W negatif.
Sistèm nan resevwa yon chalè anplis (sistèm nan resevwa enèji) ki egal a 2000 Joules epi yo fè yon travay sou sistèm nan (sistèm nan resevwa enèji) ki egal a 1000 Joules. Kidonk, enèji nan sistèm nan ogmante pa 3000 Joules.
Premyèman , pifò nan sistèm nou analize teyorikman nan sijè sa a se gaz. Nou itilize gaz paske pwopriyete makroskopik yo (tanperati, presyon, ak volim) pi fasil pou detèmine. Lè n ap analize gaz, nou toujou konsidere yo kòm gaz ideyal. Sa a se tou senpleman pou senplifye analiz la. Nou pa itilize gaz reyèl paske, nan presyon ki ase wo, gaz reyèl yo tipikman konpòte yo yon fason ki devye.
Dezyèmman , si sistèm n ap analize a se yon gaz ideyal, alò nou ka kalkile enèji entèn lan lè l sèvi avèk ekwasyon ki endike relasyon ki genyen ant enèji entèn yon gaz ideyal ak tanperati gaz ideyal la: U = 3/2 nRT (ekwasyon enèji entèn pou yon gaz ideyal monoatomik).
Travay sistèm nan fè pandan chanjman volim nan
Anvan nou ale pi lwen, an nou premye konsidere travay sistèm nan fè sou anviwònman li. Pou kalkile kantite travay (W) sistèm nan fè, an nou konsidere yon gaz ideyal nan yon veso ki fèmen pa yon piston. Piston an ka monte desann. Figi sa a senplifye an de dimansyon. Konsidere li twa dimansyon. Volim = longè x lajè x wotè.
Yon gaz ideyal reprezante pa pwen ki sitiye andedan yon veso. Baz veso a an kontak ak yon objè ki gen tanperati ki wo (menm jan ak dlo nan yon chodyè ki chofe sou yon flanm). Objè ki gen tanperati ki wo a pa enkli nan imaj la, jis imajine l nan tèt ou 😉 Gaz ideyal ki nan veso a se sistèm nan, alòske lòt objè ki deyò veso a, tankou objè ki gen tanperati ki wo a ki an kontak ak baz veso a, se anviwònman an. Paske tanperati anbyen an pi wo pase tanperati sistèm nan, chalè natirèlman koule soti nan anviwònman an nan sistèm nan. Ajout enèji ki soti nan anviwònman an lakòz enèji entèn sistèm nan (gaz ideyal) ogmante. Enèji entèn yon gaz ideyal dirèkteman pwopòsyonèl ak tanperati a (U = 3/2 nRT), kidonk lè enèji entèn yon gaz ideyal ogmante, tanperati gaz ideyal la ogmante tou. Yon ogmantasyon nan tanperati yon gaz ideyal lakòz gaz ideyal la elaji epi pouse piston an yon distans s. Lè w ap pouse piston an yon distans s, sistèm nan (gaz ideyal) fè travay sou anviwònman an (lè deyò).
Okòmansman, presyon sistèm lan wo (P1) epi volim sistèm lan ba (V1). Presyon an envèsman pwopòsyonèl ak volim nan. Apre chalè a fin koule soti nan anviwònman an nan sistèm nan epi sistèm nan fin fè travay sou anviwònman an, volim sistèm lan ogmante (V2) epi presyon sistèm lan diminye (P2).
Kantite travay sistèm nan fè nan pwosesis ki anwo a se:
Travay (W) = Fòs pouse (F) x deplasman (s). Piske fòs pouse (F) = presyon (P) x sifas (A) piston an, ekwasyon travay la ka ekri kòm:
W = Fs ‐‐‐‐‐ F = PA
W = PAs ‐‐‐‐‐ As = V
W = PV
Li enpòtan pou nou sonje travay yon sistèm fè a fèt pandan yon chanjman nan volim. Se poutèt sa, nou ka jwenn travay total sistèm nan fè a lè nou miltipliye chanjman presyon an pa chanjman volim nan. Matematikman:
W = (presyon final – presyon inisyal)(volim final – volim inisyal)
W = (P2 - P1 ) ( V2 - V1 )
Premyèman , chanjman nan volim sistèm nan nan pwosesis ki anwo a ka fasil pou detèmine. Volim inisyal ak final sistèm nan ka detèmine lè w kalkile volim veso a. Se poutèt sa, pou kalkile kantite travay (W) sistèm nan fè a, nou bezwen konnen kijan presyon an chanje pandan pwosesis la.
Si presyon (p) yon sistèm chanje iregilyèman pandan volim (V) la ap chanje, ou ka kalkile kantite travay sistèm nan fè a lè l sèvi avèk kalkil. Si ou pa abitye avèk kalkil, gen lòt altènativ ou ka itilize. Premyèman, an nou trase yon graf ki montre relasyon ki genyen ant presyon ak volim. Kantite travay sistèm nan fè a = zòn ki gen koulè anba koub p-V a.
Graf presyon kont volim pou chanjman presyon ki rive iregilyèman.
Okòmansman, presyon sistèm nan = p 1 (presyon ki wo) epi volim sistèm nan = V 1 (volim ki ba). Apre sistèm nan fin fè travay sou anviwònman an, presyon sistèm nan chanje pou l vin p 2 (presyon ki ba) epi volim sistèm nan chanje pou l vin V 2 (volim ki wo). Kantite travay (W) sistèm nan fè = zòn ki gen koulè fonse a. Fòm koub la koube paske presyon sistèm nan (gaz ideyal) chanje iregilyèman pandan pwosesis la.
Si presyon (p) yon sistèm rete konstan pandan volim (V) chanje, alò li fasil pou kalkile kantite travay sistèm nan fè a. Ou ka kalkile kantite travay sistèm nan fè a lè w sèvi ak yon ekwasyon oubyen ou ka jwenn li nan zòn ki gen koulè anba koub P-V a. Nan ka sa a, ou ka modifye ekwasyon travay ki anwo a jan sa a:
W = (P2 - P1 ) ( V2 - V1 )
Piske presyon an (p) toujou konstan, alò P2 = P1 = P
W = P ( V2 - V1 )
Graf presyon kont volim pou yon pwosesis kote presyon an toujou konstan, sa vle di li pa chanje:
Okòmansman volim sistèm lan = V1 (ti volim). Apre sistèm nan fin travay sou anviwònman an, volim sistèm nan chanje pou vin V2 (gwo volim). Presyon sistèm nan toujou konstan, sa vle di li pa chanje. Kantite travay (W) sistèm nan fè = zòn ki gen koulè fonse a.
Dezyèmman, sistèm nan travay sou anviwònman an si volim sistèm nan ogmante. Okontrè, anviwònman an travay sou sistèm nan si volim sistèm nan diminye. Si volim sistèm nan pa chanje pandan pwosesis la, sistèm nan pa ka fè travay sou anviwònman an, epi anviwònman an pa ka fè travay sou sistèm nan. Nan ka sa a, travay (W) = 0.
