15.1: A termodinamika első törvénye
- Közreműködött az OpenStax
- Általános fizika az OpenStax CNX-nél
Ha érdekel bennünket, hogyan alakul a hőátadás munkává, akkor az energia megőrzésének elve fontos. A a termodinamika első törvénye az energiatakarékosság elvét alkalmazza azokra a rendszerekre, ahol a hőátadás és a munka elvégzése az energia átadásának a rendszerbe és onnan való kivezetésének módszere.
\ (\ PageIndex \) ábra: Ez a forró teáskanna mozgásban lévő energiát képvisel. A vízforralóban lévő víz vízgőzzé válik, mert a hő átkerül a kályhából a vízforralóba. Amint az egész rendszer felforrósodik, munka folyik - a víz elpárologtatásától kezdve a vízforraló sípolásáig. (hitel: Gina Hamilton)
A termodinamika első törvénye kimondja, hogy a rendszer belső energiájának változása megegyezik a rendszer nettó hőátadásával, levonva a rendszer nettó munkáját. Egyenlet formájában a termodinamika első törvénye az
\ [\ Delta U = Q - W. \ label \]
Itt \ (\ Delta U \) a rendszer belső energiájának változása \ (U \). \ (Q \) a rendszerbe továbbított nettó hő - vagyis a (Q \) a rendszerbe és a rendszerből leadott hőátadás összege. \ (W \) a rendszer által elvégzett nettó munka, vagyis \ (W \) a rendszeren vagy a rendszeren végzett összes munka összege. A következő előírásokat alkalmazzuk: ha \ (Q \) pozitív, akkor nettó hőátadás van a rendszerben; ha \ (W \) pozitív, akkor a rendszer nettó munkát végez. Tehát a pozitív \ (Q \) energiát ad a rendszerhez, a pozitív \ (W \) pedig energiát vesz fel a rendszerből. Így \ (\ Delta U = Q - W \). Vegye figyelembe azt is, hogy ha több hőátadás történik a rendszerben, mint az elvégzett munka, a különbség belső energiaként tárolódik. A hőmotorok jó példa erre - a hőátadás beléjük megy végbe, hogy munkát tudjanak végezni (\ (\ PageIndex \) ábra). Most megvizsgáljuk a (Q, \, W \) és a (\ Delta U \) elemeket.
\ (\ PageIndex \) ábra: A termodinamika első törvénye az energiatakarékosság elve, amelyet egy olyan rendszer vonatkozásában állapítottak meg, ahol a hő és a munka a hőegyensúlyban lévő rendszer energiaátadásának módszere. \ (Q \) a nettó hőátadást jelenti - ez a rendszerbe történő és a rendszeren kívüli összes hőátadás összege. \ (Q \) pozitív a rendszerbe történő nettó hőátadás szempontjából. \ (W \) a rendszeren és a rendszeren végzett teljes munka. \ (W \) pozitív, ha a rendszer több munkát végez, mint rajta. A rendszer belső energiájának változása, \ (\ Delta U \), a hővel és a munkával függ össze a termodinamika első törvényével (egyenlet \ ref).
A TERMODINAMIKA ÉS AZ ENERGIA MEGŐRZÉSÉNEK JOGA
A termodinamika első törvénye tulajdonképpen az energia megmaradásának törvénye, amelyet a termodinamikában a leghasznosabb formában állapítanak meg. Az első törvény megadja a kapcsolatot a hőátadás, az elvégzett munka és a rendszer belső energiájának változása között.
Hő Q és W munka
A hőátadás \ (Q \) és a munka \ (W \) a mindennapi két eszköz, amellyel energiát lehet bevinni a rendszerbe, vagy energiát lehet abból kivinni. A folyamatok egészen mások. A hőátadást, egy kevésbé szervezett folyamatot, a hőmérséklet-különbségek vezérlik. A munka, egy meglehetősen szervezett folyamat, egy távon kifejtett makroszkopikus erővel jár. Ennek ellenére a hő és a munka azonos eredményeket hozhat. Például mindkettő hőmérséklet-növekedést okozhat. A rendszerbe történő hőátadás, például amikor a Nap felmelegíti a kerékpár gumiabroncsának levegőjét, megnövelheti annak hőmérsékletét, és így a rendszeren végzett munka is javulhat, mint amikor a kerékpáros levegőt pumpál az abroncsba. Miután bekövetkezett a hőmérséklet-emelkedés, lehetetlen megmondani, hogy azt hőátadás vagy munka végzése okozta-e. Ez a bizonytalanság fontos pont. A hőátadás és a munka egyaránt energiát jelent a szállítás során - egyiket sem tárolják önmagában a rendszerben. Mindkettő azonban megváltoztathatja a rendszer belső energiáját \ (U \). A belső energia egy olyan energiaforma, amely teljesen eltér a hőtől vagy a munkától.
Belső energia U
Kétféle, de következetes módon gondolkodhatunk egy rendszer belső energiájáról. Az első az atom- és a molekuláris nézet, amely atom- és molekuláris skálán vizsgálja a rendszert. A belső energia A rendszer (U) értéke atomjainak és molekuláinak kinetikus és potenciális energiájának összege. Emlékezzünk arra, hogy a kinetikus és a potenciális energiát mechanikai energiának nevezzük. Így a belső energia az atom és a molekuláris mechanikai energia összege. Mivel lehetetlen nyomon követni az egyes atomokat és molekulákat, az átlagokkal és az eloszlásokkal kell foglalkoznunk. A rendszer belső energiájának megtekintésének második módja annak makroszkopikus jellemzői, amelyek nagyon hasonlítanak az atom és a molekula átlagértékeire.
Makroszkóposan úgy definiáljuk a belső energia \ (\ Delta U \) változását, amelyet a termodinamika első törvénye (egyenlet \ ref) ad meg: \ [\ Delta U = Q - W \ nonumber \]
Számos részletes kísérlet igazolta, hogy \ (\ Delta U = Q - W \), ahol \ (\ Delta U \) a rendszer összes atomjának és molekulájának teljes kinetikai és potenciális energiájának változása. Kísérletileg meghatározták azt is, hogy egy rendszer belső energiája (U \) csak a rendszer állapotától függ, és nem attól, hogy hogyan érte el ezt az állapotot. Pontosabban, az \ (U \) néhány makroszkopikus mennyiség (például nyomás, térfogat és hőmérséklet) függvénye, függetlenül a múlt történetétől, például attól, hogy történt-e hőátadás vagy végzett munka. Ez a függetlenség azt jelenti, hogy ha ismerjük a rendszer állapotát, akkor néhány makroszkopikus változóból kiszámíthatjuk a belső energia \ (U \) változását.
MAKROSZKÓP ÉS MIKROSZKÓP
A termodinamikában gyakran alkalmazzuk a makroszkopikus képet, amikor egy rendszer viselkedésére vonatkozó számításokat végezünk, míg az atomi és molekuláris kép mögöttes magyarázatokat ad az átlagok és az eloszlások szempontjából. Ezt a fejezet későbbi szakaszaiban még egyszer látni fogjuk. Például az entrópia témakörében a számításokat az atom és a molekuláris nézet felhasználásával végzik.
Annak érdekében, hogy jobb képet kapjunk arról, hogyan gondolkodhatunk egy rendszer belső energiájáról, vizsgáljuk meg az 1. állapotból a 2. állapotba kerülő rendszert. A rendszer belső energiája \ (U_1 \) az 1. állapotban van, és belső energiája van \ (U_2 \) a 2. államban, függetlenül attól, hogy jutott egyik államhoz sem. Tehát a belső energia változása
\ [\ Delta U = U_2 - U_1 \]
független attól, hogy mi okozta a változást. Más szavakkal, a \ (\ delta U \) független az úttól. Útvonal alatt azt a módszert értjük, amikor a kiindulási ponttól a végpontig jutunk. Miért fontos ez a függetlenség? Mind a \ (Q \), mind a \ (W \) az útvonaltól függ, de a \ (\ Delta U \) nem (egyenlet \ ref). Ez az útfüggetlenség azt jelenti, hogy a belső energiát (U \) könnyebben figyelembe lehet venni, mint akár a hőátadást, akár az elvégzett munkát.
Példa \ (\ PageIndex \): A belső energia változásának kiszámítása - Ugyanaz a \ (U \) változás két különböző folyamat által jön létre
- Tegyük fel, hogy 40,00 J hőátadás van egy rendszerben, míg a rendszer 10,00 J munkát végez. Később 25,00 J hőátadás történik a rendszerből, miközben 4,00 J munkát végeznek a rendszeren. Mekkora a rendszer belső energiájának nettó változása?
- Mi a változás a rendszer belső energiájában, amikor a rendszerből (belőle) összesen 150,00 J hőátadás történik, és 159,00 J munkát végeznek a rendszeren (\ (\ PageIndex \) ábra)?
Stratégia
Az a) részben először meg kell találnunk a nettó hőátadást és az elvégzett nettó munkát az adott információk alapján. Ezután a termodinamika első törvénye (egyenlet \ ref).
felhasználható a belső energia változásának megtalálásához. A b) részben megadjuk a nettó hőátadást és az elvégzett munkát, így az egyenlet közvetlenül használható.
Az (a) megoldás
A nettó hőátadás a rendszerbe történő hőátadás, levonva a rendszerből történő hőátadást, vagy
\ [\ kezdődik Q & = 40.00 \, J - 25.00 \, J \\ [5pt] & = 15.00 \, J \ end \]
Hasonlóképpen, a teljes munka a rendszer által végzett munka, levonva a rendszeren végzett munkát, ill
\ [\ kezdete W & = 10.00 \, J - 4.00 \, J \\ [5pt] & = 6.00 \, J. \ end \]
Megbeszélés a)
Nem számít, ha a teljes folyamatot nézi, vagy szakaszokra bontja, a belső energia változása ugyanaz.
A (b) megoldás
Itt a nettó hőátadást és a teljes munkát közvetlenül \ (Q = -150.00 \, J \) és \ (W = -159.00 \, J \) értékre adjuk meg, így
\ [\ kezdés \ Delta U & = Q - W = -150.00 - (-159.00) \\ [5pt] & = 9.00 \, J. \ end \]
Vita a (b) pontról
A (b) részben egy nagyon eltérő folyamat ugyanazt a 9.00-J változást eredményezi a belső energiában, mint az (a) részben. Ne feledje, hogy a rendszer változása mindkét részben a (z) \ (\ Delta U \) -hez kapcsolódik, és nem az érintett \ (Q \) vagy \ (W \) -ekhez. A rendszer ugyanabban az állapotban van (a) és (b) egyaránt. Az (a) és (b) rész két különböző utat mutat be a rendszer számára ugyanazon kiindulási és végpontok között, és a belső energia változása mindegyik esetében ugyanaz - független az úttól.
Az emberi anyagcsere és a termodinamika első törvénye
Az emberi anyagcsere az étel hőátadássá, munkává és raktározott zsírgá való átalakulása. Az anyagcsere érdekes példa a termodinamika működésének első törvényére. Most újra megvizsgáljuk ezeket a témákat a termodinamika első törvényén keresztül. A testet mint érdekes rendszert tekintve az első törvény alapján megvizsgálhatjuk a hőátadást, a munka elvégzését és a belső energiát az alvástól a nehéz testmozgásig terjedő tevékenységekben. Melyek a hőátadás, a munka végzése és a testben lévő energia főbb jellemzői? Egyrészt a testhőmérsékletet állandóan a környezeti hőátadás biztosítja. Ez azt jelenti, hogy a (Q) negatív. Egy másik tény, hogy a test általában a külvilágon dolgozik. Ez azt jelenti, hogy \ (W \) pozitív. Ilyen helyzetekben a test elveszíti a belső energiát, mivel \ (\ Delta U = Q - W \) negatív.
Most vegye figyelembe az evés hatásait. Az étkezés kémiai potenciális energia hozzáadásával növeli a test belső energiáját (ez egy jó steak nem romantikus nézete). A test metabolizálja az összes elfogyasztott ételt. Alapvetően az anyagcsere egy oxidációs folyamat, amelyben az élelmiszer kémiai potenciális energiája felszabadul. Ez azt jelenti, hogy az élelmiszer-bevitel munka formájában történik. Az élelmiszer-energiát egy speciális egységben, a Kalória néven jelentik. Ezt az energiát úgy mérik, hogy az ételeket kaloriméterben égetik el, így határozzák meg az egységeket.
A kémia és a biokémia területén egy kalóriát (c betűvel írva) az az energia (vagy hőátadás) határoz meg, amely szükséges ahhoz, hogy egy gramm tiszta víz hőmérsékletét egy Celsius-fokkal megemelje. A táplálkozási szakemberek és a testsúly-figyelők általában az étrendi kalóriát használják, amelyet gyakran Kalóriának neveznek (C betűvel írva). Az egyik élelmiszer-kalória az az energia, amely egy kilogramm víz hőmérsékletének egy Celsius-fokkal történő emeléséhez szükséges. Ez azt jelenti, hogy egy diétás kalória egyenlő egy kilokalóriával a vegyész számára, és ügyelni kell arra, hogy elkerüljék a kettő közötti összetévesztést.
Ismét vegyük figyelembe a test által elvesztett belső energiát. Három helyen lehet ez a belső energia - a hőátadáshoz, a munka elvégzéséhez és a raktározott zsírhoz (egy apró része a sejtek helyreállításához és növekedéséhez is szükséges). A hőátadás és a munka elvégzése elvezeti a belső energiát a testből, az étel pedig visszateszi. Ha éppen a megfelelő mennyiségű ételt eszi meg, akkor az átlagos belső energiája állandó marad. Bármit veszít a hőátadás és a munka elvégzése helyett, az étel helyettesíti, így hosszú távon \ (\ Delta U = 0 \). Ha többször eszik túl, akkor a \ (\ Delta U \) mindig pozitív, és a szervezete ezt a belső energiát zsírként tárolja. Fordítva igaz, ha túl keveset eszel. Ha a \ (\ Delta U \) néhány napig negatív, akkor a test a saját zsírját metabolizálja, hogy fenntartsa a testhőmérsékletet és olyan munkát végezzen, amely energiát vesz fel a testből. Ez a folyamat a fogyókúra hogyan eredményezi a fogyást.
Az élet nem mindig ilyen egyszerű, mint bármelyik fogyókúrázó tudja. A test csak akkor tárolja a zsírt vagy metabolizálja, ha az energiafogyasztás több napos időtartamra változik. Ha már jelentős étrendet tartott, a következő már kevésbé sikeres, mert a tested megváltoztatja az alacsony energiafogyasztásra adott reakciót. Az alapanyagcsere (BMR) az a sebesség, amellyel az étel hőátadássá és munkává alakul át, miközben a test teljes nyugalomban van. A test úgy módosítja az alapanyagcsere sebességét, hogy részben ellensúlyozza a túlevés vagy az alultevés mértékét. A szervezet csökkenti az anyagcserét, nem pedig megszünteti saját zsírját, hogy pótolja az elveszett táplálékfelvételt. Az alacsonyabb anyagcsere eredményeként könnyebben lehűl és kevésbé energikusnak érzi magát, és nem fog olyan gyorsan fogyni, mint korábban. A testmozgás segít a fogyásban, mert mind a testből, mind a munkából hőátadást hoz létre, és nyugalmi állapotban is növeli az anyagcserét. A súlycsökkenést a test elég alacsony hatékonysága segíti a belső energia munkára alakításában is, így a munka elvégzéséből fakadó belső energia veszteség sokkal nagyobb, mint az elvégzett munka. Meg kell azonban jegyezni, hogy az élő rendszerek nincs hőegyensúlyban.
A test kiváló jelzéssel szolgál arra nézve, hogy számos termodinamikai folyamat visszafordíthatatlan. Egy visszafordíthatatlan folyamat egy adott irányban haladhat, de fordítva nem. Például, bár a testzsír átalakítható munkára és hőátadásra, a testen végzett munka és a hőátadás nem alakítható testzsírrá. Ellenkező esetben kihagyhatnánk az ebédet napozással vagy lépcsőn lefelé járással. Az irreverzibilis termodinamikai folyamat másik példája a fotoszintézis. Ez a folyamat az energia egyik formájának - a fénynek - a növények általi felvétele és átalakítása kémiai potenciális energiává. A termodinamika első törvényének mindkét alkalmazását a \ (\ PageIndex \) ábra szemlélteti. Az olyan természetvédelmi törvények egyik nagy előnye, mint a termodinamika első törvénye, hogy pontosan leírják a bonyolult folyamatok, például az anyagcsere és a fotoszintézis kezdetét és végét, a köztük lévő szövődményekre való tekintet nélkül.
\ (\ PageIndex \) ábra: (a) A termodinamika első törvénye az anyagcserére. A testből távozott hő (Q) és a test által végzett munka (W \) eltávolítja a belső energiát, míg az étel bevitele helyettesíti azt. (Az ételbevitel a testen végzett munkának tekinthető.) (B) A növények a napfényben sugárzó hőátadás egy részét átalakítják tárolt kémiai energiává, ezt a folyamatot fotoszintézisnek nevezik.
Összegzés
A táblázat összefoglalja a termodinamika első törvényéhez kapcsolódó kifejezéseket.
Szójegyzék
Közreműködők és hozzárendelések
Paul Peter Urone (emeritus professzor a Kaliforniai Állami Egyetemen, Sacramento) és Roger Hinrichs (New York Állami Egyetem, Oswego Főiskola) közreműködő szerzőkkel: Kim Dirks (Aucklandi Egyetem) és Manjula Sharma (Sydney-i Egyetem). Ezt a munkát az OpenStax University Physics engedélyezte Creative Commons Nevezési Licenc alatt (4.0-ig).
- Megpróbál fogyni az első trimeszterben
- Fogyás A legjobb reggelire vonatkozó ötletek a zsírégetésre reggelente - Az amerikai nap
- A legelső dolog, amit meg kell tennie, ha fogyni akar
- Mi az első körös pályázat
- Gondolkodni a diéta kezdetén Először is, ellenőrizze a tényeket A diéták nem működnek