Éischt Gesetz vun der Thermodynamik Material
Thermodynamesche Prozess
Hëtzt (Q) ass Energie, déi sech vun engem Objet zum aneren beweegt wéinst engem Temperaturënnerscheed. A Bezuch op de System an d'Ëmwelt kann Hëtzt als Energie bezeechent ginn, déi sech vum System an d'Ëmwelt beweegt oder Energie, déi sech vun der Ëmwelt an de System beweegt wéinst engem Temperaturënnerscheed. Wann d'Systemtemperatur méi héich ass wéi d'Ëmwelttemperatur, fléisst Hëtzt vum System an d'Ëmwelt. Am Géigendeel, wann d'Ëmwelttemperatur méi héich ass wéi d'Systemtemperatur, fléisst Hëtzt vun der Ëmwelt an de System.
Wann Hëtzt (Q) mam Energietransfer wéinst engem Temperaturënnerscheed zesummenhänkt, dann hänkt d'Aarbecht (W) mam Energietransfer zesummen, deen duerch mechanesch Mëttele geschitt. Zum Beispill, wann e System Aarbecht op d'Ëmwelt mécht, da beweegt sech Energie automatesch vum System an d'Ëmwelt. Am Géigendeel, wann d'Ëmwelt Aarbecht op de System mécht, da beweegt sech Energie vun der Ëmwelt an de System.
Een einfacht Beispill vun engem Energietransfer tëscht engem System a senger Ëmgéigend, deen Hëtzt an Aarbecht involvéiert, ass waarmen Damp, deen op en Deckel dréckt. D'Präsenz vun Hëtzt bewierkt, datt de System (Damp) op den Deckel dréckt (den Damp mécht Aarbecht op d'Ëmwelt). Dëst ass ee Beispill vun enger Ännerung vum Zoustand vun engem System wéinst dem Energietransfer tëscht dem System a senger Ëmgéigend. Et gëtt vill aner Beispiller. Ännerungen am Zoustand vun engem System wéinst dem Energietransfer tëscht dem System a senger Ëmgéigend, déi Hëtzt an Aarbecht involvéieren, ginn thermodynamesch Prozesser genannt.
Intern Energie an den Éischte Gesetz vun der Thermodynamik
Déi intern Energie (U) vun engem System ass d'Zomm vun all de kineteschen Energien vun de Molekülen am System, plus d'Zomm vun all de potenziellen Energien, déi aus den Interaktiounen tëscht de Molekülen am System entstinn. Mir erwaarden, datt wann Hëtzt vun der Ëmgéigend an de System fléisst (de System kritt Energie), déi intern Energie vum System eropgeet... Am Géigendeel, wann de System Aarbecht op d'Ëmgéigend mécht (de System fräisetzt Energie), hëlt déi intern Energie vum System of.
Sou kann een, baséierend op dem Prinzip vun der Energieerhaalung, schléissen, datt d'Ännerung vun der Energie am System = Hëtzt, déi dem System bäigefüügt gëtt (de System kritt Energie) – Aarbecht, déi vum System gemaach gëtt (de System setzt Energie fräi). Mathematesch:
Dës Equatioun gëllt fir e geschlossene System (e geschlossene System ass e System, deen nëmmen Energieaustausch tëscht dem System an der Ëmwelt erlaabt). Fir en isoléiert geschlossene System kënnt keng Energie an oder verléisst de System, dofir ass d'Ännerung vun der interner Energie = 0.
Dës Equatioun gëllt och fir oppe Systemer, wa mir d'Ännerungen vun der Energie am System duerch d'Zousätzlech an d'Reduktioun vun der Quantitéit u Matière berücksichtegen (En oppent System ass e System, deen den Austausch vu Matière an Energie tëscht dem System an der Ëmwelt erlaabt). Dat éischt Gesetz vun der Thermodynamik gouf am 19. Joerhonnert formuléiert, nodeems Hëtzt als Energie verstanen gouf, déi duerch Temperaturënnerscheeder iwwerdroe gëtt.
Intern Energie ass eng Quantitéit, déi den mikroskopeschen Zoustand vun engem System beschreift. D'Quantitéit, déi den mikroskopeschen Zoustand vun engem System beschreift (intern Energie), kann net direkt bestëmmt ginn. Wat mir an der Equatioun vum Éischte Gesetz vun der Thermodynamik analyséieren, ass nëmmen d'Ännerung vun der interner Energie. Ännerungen an der interner Energie kënne bestëmmt ginn duerch d'Energie, déi dem System bäigefüügt gëtt, an d'Energie, déi vum System a Form vun Hëtzt an Aarbecht fräigesat gëtt. Am Géigendeel, Quantitéiten, déi makroskopesch Zoustänn beschreiwen, kënne direkt bestëmmt ginn. Quantitéiten, déi makroskopesch Zoustänn beschreiwen, sinn Temperatur (T), Drock (p), Volumen (V) a Mass (m) oder d'Zuel vun de Molen (n). Hëtzt an Aarbecht sinn nëmmen am Prozess vum Energietransfer tëscht dem System a senger Ëmgéigend involvéiert; si sinn net Quantitéiten, déi den Zoustand vum System beschreiwen.
Zeechenregelen fir Hëtzt (Q) an Aarbecht (W)
D'Zeechenregelen fir Hëtzt an Aarbecht sinn am Aklang mam Éischte Gesetz vun der Thermodynamik. Hëtzt (Q) an der uewerer Equatioun representéiert d'Hëtzt, déi dem System bäigefüügt gëtt (Q ass positiv), während d'Aarbecht (W) an der uewerer Equatioun d'Aarbecht representéiert, déi vum System gemaach gëtt (W ass positiv). Wann Hëtzt de System verléisst, dann ass Q negativ. Am Géigendeel, wann Aarbecht um System gemaach gëtt, dann ass W negativ.
Beispill Fro 1:
Wann 2000 Joule Hëtzt zu engem System bäigefüügt ginn, während de System 1000 Joule Aarbecht leeschtet, wéi grouss ass dann d'Ännerung vun der interner Energie vum System?
Diskussioun
De System kritt zousätzlech Hëtzt (Energie) vun 2000 Joule. De System mécht och Aarbecht (Energiefräisetzung) vun 1000 Joule. Dofir ass d'Ännerung vun der Energie vum System = 1000 Joule.
Beispill Fro 2:
Wann 2000 Joule Hëtzt de System verloossen an de System 1000 Joule Aarbecht leeschtet, wéi grouss ass dann d'Ännerung vun der interner Energie vum System?
Diskussioun
Wann Hëtzt de System verléisst, heescht dat, datt Q e negativen Wäert huet.
2000 Joule Hëtzt verloossen de System (de System fräisetzt Energie). 1000 Joule Aarbecht ginn och gemaach (de System fräisetzt Energie). Dofir hëlt d'Energie am System ëm 3000 J of.
Beispill Fro 3:
Wann 2000 Joule Hëtzt an e System bäigefüügt ginn an 1000 Joule Aarbecht um System gemaach ginn, wéi grouss ass dann d'Ännerung vun der interner Energie vum System?
Diskussioun
Wann Aarbecht um System gemaach gëtt, dann ass W negativ.
De System kritt zousätzlech Hëtzt (de System kritt Energie) vun 2000 Joule an et gëtt Aarbecht um System gemaach (de System kritt Energie) vun 1000 Joule. Sou klëmmt d'Energie am System ëm 3000 Joule.
Éischtens , déi meescht Systemer, déi mir an dësem Thema theoretesch analyséieren, si Gaser. Mir benotze Gaser, well hir makroskopesch Eegeschaften (Temperatur, Drock a Volumen) méi einfach ze bestëmmen sinn. Bei der Analyse vu Gaser betruechte mir se ëmmer nach als ideal Gaser. Dëst ass einfach fir d'Analyse ze vereinfachen. Mir benotze keng richteg Gaser, well sech bei genuch héijen Drock richteg Gaser typescherweis ofwäichend verhalen.
Zweetens , wann de System, deen mir analyséieren, en ideal Gas ass, da kann déi intern Energie mat der Equatioun berechent ginn, déi d'Bezéiung tëscht der interner Energie vun engem ideale Gas an der Temperatur vum ideale Gas uginn: U = 3/2 nRT (d'intern Energiegläichung fir en monatomescht ideal Gas).
D'Aarbecht, déi vum System während der Volumenännerung gemaach gëtt
Ier mer weidergoen, kucke mer eis als éischt d'Aarbecht un, déi de System op seng Ëmgéigend ausübt. Fir d'Aarbechtsquantitéit (W) ze berechnen, déi de System ausübt, betruechte mer en ideal Gas an engem Behälter, deen vun engem Kolben zougemaach gëtt. De Kolben kann no uewen an no ënnen beweegt ginn. Dës Figur gëtt op zwou Dimensiounen vereinfacht. Betruecht se als dräidimensional. Volumen = Längt x Breet x Héicht.
En idealt Gas gëtt duerch Punkten an engem Behälter duergestallt. De Buedem vum Behälter ass a Kontakt mat engem Objet mat héijer Temperatur (ähnlech wéi Waasser an enger Pan, déi iwwer enger Flam erhëtzt gëtt). Den Objet mat héijer Temperatur ass net am Bild abegraff, stellt Iech et einfach vir 😉 Den idealt Gas am Behälter ass de System, während aner Objeten ausserhalb vum Behälter, dorënner den Objet mat héijer Temperatur, deen a Kontakt mam Buedem vum Behälter ass, d'Ëmwelt sinn. Well d'Ëmfeldtemperatur méi héich ass wéi d'Systemtemperatur, fléisst Hëtzt natierlech vun der Ëmwelt an de System. D'Zousätzlech Energie aus der Ëmwelt bewierkt, datt déi intern Energie vum System (idealt Gas) eropgeet. Déi intern Energie vun engem ideale Gas ass direkt proportional zu der Temperatur (U = 3/2 nRT), dofir klëmmt och d'Temperatur vum ideale Gas, wann déi intern Energie vun engem ideale Gas eropgeet. Eng Erhéijung vun der Temperatur vun engem ideale Gas bewierkt, datt den idealt Gas sech ausdehnt an de Kolben eng Distanz s dréckt. Wann de Kolben eng Distanz s gedréckt gëtt, mécht de System (idealt Gas) Aarbecht op d'Ëmwelt (Loft dobaussen).
Ufanks ass den Drock am System héich (P1) an de Volumen am System niddreg (V1). Den Drock ass ëmgekéiert proportional zum Volumen. Nodeems d'Hëtzt vun der Ëmgéigend an de System fléisst an de System Aarbecht op d'Ëmgéigend mécht, klëmmt de Volumen am System (V2) an de Drock am System fällt of (P2).
D'Aarbechtsquantitéit, déi vum System am uewe genannten Prozess gemaach gëtt, ass:
Aarbecht (W) = Schubkraaft (F) x Verrécklung (s). Well d'Schubkraaft (F) = Drock (P) x Uewerfläch (A) vum Kolben ass, kann d'Aarbechtsgläichung als folgend geschriwwe ginn:
W = Fs ‐‐‐‐‐ F = PA
W = PAs ----- As = V
W = PV
Et ass wichteg ze bemierken, datt d'Aarbecht, déi vun engem System gemaach gëtt, während enger Volumenännerung geschitt. Dofir kann déi total Aarbecht, déi vum System gemaach gëtt, berechent ginn, andeems d'Ännerung vum Drock mat der Volumenännerung multiplizéiert gëtt. Mathematesch:
W = (Enddrock – Ufanksdrock)(Endvolumen – Ufanksvolumen)
W = (P² - P¹ ) ( V² - V¹ )
Éischtens kann d'Ännerung vum Systemvolumen am uewe genannten Prozess einfach bestëmmt ginn. Den Ufanks- a Schlussvolumen vum System kënne bestëmmt ginn andeems de Volume vum Behälter berechent gëtt. Dofir musse mir, fir d'Aarbechtsquantitéit (W) vum System ze berechnen, wëssen, wéi den Drock sech während dem Prozess ännert.
Wann den Drock (p) vun engem System sech onreegelméisseg ännert, wann de Volumen (V) sech ännert, da kann d'Aarbechtsquantitéit vum System mat Hëllef vun der Kalkül berechent ginn. Wann Dir net mat der Kalkül vertraut sidd, ginn et Alternativen, déi Dir benotze kënnt. Loosst eis als éischt e Grafik zeechnen, deen d'Bezéiung tëscht Drock a Volumen weist. D'Aarbechtsquantitéit vum System = déi schattiert Fläch ënner der p-V-Kurv.
Drock vs. Volumengrafik fir Drockännerungen, déi onreegelméisseg optrieden.
Ufanks ass den Drock am System = p1 ( héijen Drock) an de Volumen am System = V1 ( niddregt Volumen). Nodeems de System Aarbecht op d'Ëmwelt gemaach huet, ännert sech den Drock am System op p2 ( niddregen Drock) an de Volumen am System op V2 ( héicht Volumen). D'Aarbechtsquantitéit (W), déi vum System gemaach gëtt, = déi schatteiert Fläch. D'Form vun der Kurv ass gekrëmmt, well den Drock am System (idealt Gas) sech während dem Prozess onreegelméisseg ännert.
Wann den Drock (p) vun engem System konstant bleift, wann de Volumen (V) sech ännert, da kann d'Aarbechtsquantitéit, déi vum System gemaach gëtt, einfach berechent ginn. D'Aarbechtsquantitéit, déi vum System gemaach gëtt, kann mat enger Equatioun berechent ginn oder aus dem schatteierten Deel ënner der P-V-Kurv erausfonnt ginn. An dësem Fall kann d'Aarbechtsgläichung uewen wéi follegt geännert ginn:
W = (P² - P¹ ) ( V² - V¹ )
Well den Drock (p) ëmmer konstant ass, dann ass P2 = P1 = P
W = P ( V2 - V1 )
Drock vs. Volumen-Grafik fir e Prozess, wou den Drock ëmmer konstant ass, d.h. sech net ännert:
Ufanks ass de Systemvolumen = V1 (klengt Volumen). Nodeems de System op der Ëmgéigend awierkt, ännert sech de Volumen vum System op V2 (grousst Volumen). Den Drock am System ass ëmmer konstant, dat heescht, en ännert sech net. D'Aarbechtsquantitéit (W), déi vum System gemaach gëtt = déi schattiert Fläch.
Zweetens, mécht de System Aarbecht op d'Ëmgéigend, wann de Volume vum System eropgeet. Am Géigendeel, mécht d'Ëmgéigend Aarbecht op de System, wann de Volume vum System erofgeet. Wann de Volume vum System sech während dem Prozess net ännert, kann de System keng Aarbecht op d'Ëmgéigend maachen, an d'Ëmgéigend kann keng Aarbecht op de System maachen. An dësem Fall ass d'Aarbecht (W) = 0.
