Prima lege a termodinamicii Material
Proces termodinamic
Căldura (Q) este energia care se deplasează de la un obiect la altul datorită unei diferențe de temperatură. În raport cu sistemul și mediul înconjurător, căldura poate fi considerată energia care se deplasează de la sistem la mediu sau energia care se deplasează de la mediu la sistem datorită unei diferențe de temperatură. Dacă temperatura sistemului este mai mare decât temperatura mediului înconjurător, căldura va curge de la sistem la mediu. Invers, dacă temperatura mediului înconjurător este mai mare decât temperatura sistemului, căldura va curge de la mediu la sistem.
Dacă Căldura (Q) este legată de transferul de energie datorită unei diferențe de temperatură, atunci Lucrul Mecanic (W) este legat de transferul de energie care are loc prin mijloace mecanice. De exemplu, dacă un sistem efectuează un lucru mecanic asupra mediului înconjurător, atunci energia se va muta automat din sistem în mediu. Invers, dacă mediul efectuează un lucru mecanic asupra sistemului, atunci energia se va muta din mediu în sistem.
Un exemplu simplu de transfer de energie între un sistem și mediul înconjurător care implică căldură și lucru mecanic este aburul fierbinte care apasă pe capacul unei oale. Prezența căldurii face ca sistemul (aburul) să apese pe capacul oalei (aburul efectuează lucru mecanic asupra mediului). Acesta este un exemplu de schimbare a stării unui sistem datorită transferului de energie între sistem și mediul înconjurător. Există multe alte exemple. Schimbările de stare a unui sistem datorate transferului de energie între sistem și mediul înconjurător care implică căldură și lucru mecanic se numesc procese termodinamice.
Energia internă și prima lege a termodinamicii
Energia internă (U) a unui sistem este suma tuturor energiilor cinetice ale moleculelor din sistem, plus suma tuturor energiilor potențiale care apar din interacțiunile dintre moleculele din sistem. Ne așteptăm ca, dacă căldura circulă din mediul înconjurător în sistem (sistemul primește energie), energia internă a sistemului să crească… În schimb, dacă sistemul efectuează un lucru mecanic asupra mediului înconjurător (sistemul eliberează energie), energia internă a sistemului să scadă.
Astfel, pe baza principiului conservării energiei, se poate concluziona că variația de energie în sistem = Căldura adăugată sistemului (sistemul primește energie) – Lucrul mecanic efectuat de sistem (sistemul eliberează energie). Matematic:
Această ecuație se aplică unui sistem închis (un sistem închis este un sistem care permite doar schimbul de energie între sistem și mediu). Pentru un sistem închis izolat, nicio energie nu intră și nu iese din sistem, prin urmare, schimbarea energiei interne = 0.
Această ecuație se aplică și sistemelor deschise dacă luăm în considerare modificările de energie din sistem datorate adăugării și reducerii cantității de materie (Un sistem deschis este un sistem care permite schimbul de materie și energie între sistem și mediu). Prima lege a termodinamicii a fost formulată în secolul al XIX-lea, după ce căldura a fost înțeleasă ca energie transferată datorită diferențelor de temperatură.
Energia internă este o mărime care descrie starea microscopică a unui sistem. Mărimea care descrie starea microscopică a unui sistem (energia internă) nu poate fi determinată direct. Ceea ce analizăm în ecuația Primei Legi a Termodinamicii este doar schimbarea energiei interne. Schimbările energiei interne pot fi determinate datorită energiei adăugate sistemului și energiei eliberate de sistem sub formă de căldură și lucru mecanic. Invers, mărimile care descriu stări macroscopice pot fi determinate direct. Mărimile care descriu stări macroscopice sunt temperatura (T), presiunea (p), volumul (V) și masa (m) sau numărul de moli (n). Căldura și lucrul mecanic sunt implicate doar în procesul de transfer de energie între sistem și mediul înconjurător; nu sunt mărimi care descriu starea sistemului.
Reguli de semn pentru Căldură (Q) și Lucru Mecanic (W)
Regulile semnelor pentru căldură și lucru mecanic sunt în concordanță cu Prima Lege a Termodinamicii. Căldura (Q) în ecuația de mai sus reprezintă căldura adăugată sistemului (Q este pozitiv), în timp ce lucrul mecanic (W) în ecuația de mai sus reprezintă lucrul mecanic efectuat de sistem (W este pozitiv). Dacă căldura părăsește sistemul, atunci Q este negativ. Invers, dacă se efectuează lucru mecanic asupra sistemului, atunci W este negativ.
Exemplu de întrebare 1:
Dacă unui sistem i se adaugă 2000 de Jouli de căldură, în timp ce sistemul efectuează un lucru mecanic de 1000 de Jouli, care este schimbarea energiei interne a sistemului?
Pembahasan
Sistemul primește căldură (energie) suplimentară de 2000 Jouli. Sistemul efectuează, de asemenea, un lucru mecanic (eliberare de energie) de 1000 Jouli. Prin urmare, schimbarea de energie a sistemului = 1000 Jouli.
Exemplu de întrebare 2:
Dacă sistemul eliberează 2000 de jouli de căldură și acesta efectuează un lucru mecanic de 1000 de jouli, care este variația energiei interne a sistemului?
Pembahasan
Dacă căldura părăsește sistemul, înseamnă că Q are o valoare negativă.
2000 Jouli de căldură părăsesc sistemul (sistemul eliberează energie). De asemenea, se efectuează un lucru mecanic de 1000 Jouli (sistemul eliberează energie). Astfel, energia din sistem scade cu 3000 J.
Exemplu de întrebare 3:
Dacă unui sistem i se adaugă 2000 de jouli de căldură și se efectuează un lucru mecanic de 1000 de jouli asupra acestuia, care este schimbarea energiei interne a sistemului?
Pembahasan
Dacă se efectuează lucru mecanic asupra sistemului, atunci W este negativ.
Sistemul primește căldură suplimentară (sistemul primește energie) de 2000 Jouli și se efectuează un lucru mecanic asupra sistemului (sistemul primește energie) de 1000 Jouli. Astfel, energia din sistem crește cu 3000 Jouli.
În primul rând , majoritatea sistemelor pe care le analizăm teoretic în acest subiect sunt gaze. Folosim gaze deoarece proprietățile lor macroscopice (temperatura, presiunea și volumul) sunt mai ușor de determinat. În analiza gazelor, le considerăm în continuare gaze ideale. Acest lucru este pur și simplu pentru a simplifica analiza. Nu folosim gaze reale deoarece, la presiuni suficient de mari, gazele reale se comportă de obicei deviant.
În al doilea rând , dacă sistemul pe care îl analizăm este un gaz ideal, atunci energia internă poate fi calculată folosind ecuația care indică relația dintre energia internă a unui gaz ideal și temperatura gazului ideal: U = 3/2 nRT (ecuația energiei interne pentru un gaz ideal monatomic).
Lucrul mecanic efectuat de sistem în timpul schimbării de volum
Înainte de a continua, să luăm în considerare lucrul mecanic (W) efectuat de sistem, să luăm în considerare un gaz ideal într-un recipient închis de un piston. Pistonul poate fi mișcat în sus și în jos. Această figură este simplificată la două dimensiuni. Considerăm-o tridimensională. Volumul = lungime x lățime x înălțime.
Un gaz ideal este reprezentat de puncte situate în interiorul unui recipient. Baza recipientului este în contact cu un obiect la temperatură înaltă (similar cu apa într-o cratiță încălzită la flacără). Obiectul la temperatură înaltă nu este inclus în imagine, doar imaginează-ți-l 😉 Gazul ideal din recipient este sistemul, în timp ce alte obiecte din afara recipientului, inclusiv obiectul la temperatură înaltă care este în contact cu baza recipientului, reprezintă mediul înconjurător. Deoarece temperatura ambiantă este mai mare decât temperatura sistemului, căldura circulă în mod natural din mediul înconjurător în sistem. Adăugarea de energie din mediul înconjurător determină creșterea energiei interne a sistemului (gaz ideal). Energia internă a unui gaz ideal este direct proporțională cu temperatura (U = 3/2 nRT), prin urmare, atunci când energia internă a unui gaz ideal crește, crește și temperatura gazului ideal. O creștere a temperaturii unui gaz ideal determină extinderea gazului ideal și împingerea pistonului pe o distanță s. Când se împinge pistonul pe o distanță s, sistemul (gazul ideal) efectuează un lucru mecanic asupra mediului înconjurător (aerul exterior).
Inițial, presiunea sistemului este mare (P1), iar volumul sistemului este mic (V1). Presiunea este invers proporțională cu volumul. După ce căldura trece din mediul înconjurător în sistem și sistemul efectuează lucru mecanic asupra mediului înconjurător, volumul sistemului crește (V2), iar presiunea sistemului scade (P2).
Cantitatea de lucru mecanic efectuată de sistem în procesul de mai sus este:
Lucrul mecanic (W) = Forța de împingere (F) x deplasarea (s). Deoarece forța de împingere (F) = presiunea (P) x suprafața (A) a pistonului, ecuația lucrului mecanic poate fi scrisă ca:
W = Fs ‐‐‐‐‐ F = PA
W = PAs ‐‐‐‐‐ As = V
W = PV
Este important de menționat că lucrul mecanic efectuat de un sistem are loc în timpul unei modificări de volum. Prin urmare, lucrul mecanic total efectuat de sistem poate fi obținut prin înmulțirea modificării presiunii cu modificarea volumului. Matematic:
W = (presiune finală – presiune inițială)(volum final – volum inițial)
W = (P² - P¹ ) ( V² - V¹ )
În primul rând , modificarea volumului sistemului în procesul de mai sus poate fi ușor determinată. Volumele inițial și final ale sistemului pot fi determinate prin calcularea volumului recipientului. Prin urmare, pentru a calcula lucrul mecanic (W) efectuat de sistem, trebuie să știm cum se modifică presiunea în timpul procesului.
Dacă presiunea (p) a unui sistem se modifică neregulat pe măsură ce volumul (V) se modifică, atunci lucrul mecanic efectuat de sistem poate fi calculat folosind calculul mecanic. Dacă nu sunteți familiarizat cu calculul mecanic, există alternative pe care le puteți utiliza. Mai întâi, să desenăm un grafic care să arate relația dintre presiune și volum. Lucrul mecanic efectuat de sistem = aria umbrită de sub curba p-V.
Grafic presiune vs. volum pentru modificările de presiune care apar neregulat.
Inițial, presiunea sistemului = p1 ( presiune ridicată), iar volumul sistemului = V1 ( volum scăzut). După ce sistemul efectuează un lucru mecanic asupra mediului, presiunea sistemului se schimbă la p2 ( presiune scăzută), iar volumul sistemului se schimbă la V2 ( volum ridicat). Cantitatea de lucru mecanic (W) efectuată de sistem = zona umbrită. Forma curbei este curbată deoarece presiunea sistemului (gaz ideal) se modifică neregulat în timpul procesului.
Dacă presiunea (p) a unui sistem rămâne constantă pe măsură ce volumul (V) se modifică, atunci lucrul mecanic efectuat de sistem poate fi calculat cu ușurință. Lucrul mecanic efectuat de sistem poate fi calculat folosind o ecuație sau poate fi găsit din zona umbrită de sub curba P-V. În acest caz, ecuația de lucru mecanic de mai sus poate fi modificată după cum urmează:
W = (P² - P¹ ) ( V² - V¹ )
Deoarece presiunea (p) este întotdeauna constantă, atunci P² = P¹ = P
W = P ( V² - V¹ )
Graficul presiune vs. volum pentru un proces în care presiunea este întotdeauna constantă, adică nu se modifică:
Inițial volumul sistemului = V1 (volum mic). După ce sistemul acționează asupra mediului înconjurător, volumul sistemului se schimbă la V2 (volum mare). Presiunea sistemului este întotdeauna constantă, adică nu se modifică. Lucrul mecanic (W) efectuat de sistem = zona umbrită.
În al doilea rând, sistemul efectuează un lucru mecanic asupra mediului înconjurător dacă volumul sistemului crește. Invers, mediul înconjurător efectuează un lucru mecanic asupra sistemului dacă volumul sistemului scade. Dacă volumul sistemului nu se modifică în timpul procesului, sistemul nu poate efectua lucru mecanic asupra mediului înconjurător, iar mediul înconjurător nu poate efectua lucru mecanic asupra sistemului. În acest caz, lucrul mecanic (W) = 0.
