UNANG BATAS NG THERMODYNAMICS: MGA PORMULA, EQUATION, HALIMBAWA - PISIKAL - 2025

Ang unang batas ng thermodynamics ay nagsasaad na ang anumang pagbabago na naranasan ng enerhiya ng isang sistema ay nagmula sa gawaing mekanikal na ginawa, kasama ang init na ipinagpalit sa kapaligiran. Kung sila ay nasa pamamahinga o sa paggalaw, ang mga bagay (mga sistema) ay may iba't ibang lakas, na maaaring ibahin ang anyo mula sa isang klase hanggang sa iba pang uri ng proseso.

Kung ang isang sistema ay nasa katahimikan ng laboratoryo at ang mekanikal na enerhiya ay 0, mayroon pa rin itong panloob na enerhiya, dahil sa ang katunayan na ang mga particle na bumubuo nito ay patuloy na nakakaranas ng mga random na paggalaw.

Larawan 1. Ang isang panloob na engine ng pagkasunog ay gumagamit ng unang batas ng thermodynamics upang makagawa ng trabaho. Pinagmulan: Pixabay.

Ang mga random na paggalaw ng mga particle, kasama ang mga pakikipag-ugnay sa elektrikal at sa ilang mga kaso ay mga nuklear, bumubuo sa panloob na enerhiya ng system at kapag nakikipag-ugnay sa kapaligiran, lumilitaw ang mga pagkakaiba-iba sa panloob na enerhiya.

Mayroong maraming mga paraan upang maganap ang mga pagbabagong ito:

- Ang una ay ang sistema ay nagpapalitan ng init sa kapaligiran. Nangyayari ito kapag may pagkakaiba sa temperatura sa pagitan ng dalawa. Pagkatapos ang isa na mas mainit ay nagbibigay ng init-isang paraan ng paglilipat ng enerhiya- sa pinaka malamig, hanggang sa pareho ang temperatura, na umaabot sa thermal equilibrium.

- Sa pamamagitan ng pagsasagawa ng isang trabaho, kung ang system ay isinasagawa, o isang panlabas na ahente ay ginagawa ito sa system.

- Pagdaragdag ng masa sa system (mass katumbas ng enerhiya).

Hayaan ang U ang panloob na enerhiya, ang balanse ay ΔU = panghuling U - paunang U, kaya ito ay maginhawa upang magtalaga ng mga palatandaan, na ayon sa pamantayan ng IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) ay:

- Positibo Q at W (+), kapag ang sistema ay tumatanggap ng init at gawa ay ginagawa dito (ang enerhiya ay inilipat).

- Negatibong Q at W (-), kung ang sistema ay nagbibigay ng init at nagsasagawa ng trabaho sa kapaligiran (binabawasan ang enerhiya).

Mga formula at equation

Ang unang batas ng thermodynamics ay isa pang paraan ng pagsasabi na ang enerhiya ay hindi nilikha o nawasak, ngunit binago mula sa isang uri sa iba pa. Ang paggawa nito ay makagawa ng init at trabaho, na maaaring magamit nang mabuti. Matematika na ito ay ipinahayag tulad ng sumusunod:

ΔU = Q + W

Kung saan:

- ΔU ang pagbabago ng enerhiya ng system na ibinigay ng: ΔU = Pangwakas na enerhiya - Paunang enerhiya = U _f - U _o

- Q ay ang pagpapalitan ng init sa pagitan ng system at sa kapaligiran.

- W ang gawaing ginagawa sa system.

Sa ilang mga teksto ang unang batas ng thermodynamics ay ipinakita tulad nito:

ΔU = Q - W

Hindi ito nangangahulugan na salungat sila sa bawat isa o na mayroong isang pagkakamali. Ito ay dahil ang trabaho W ay tinukoy bilang gawaing ginagawa ng system kaysa sa paggamit ng gawaing ginawa sa system, tulad ng diskarte sa IUPAC.

Sa criterion na ito, ang unang batas ng thermodynamics ay nakasaad sa ganitong paraan:

Ang parehong pamantayan ay magbibigay ng tamang mga resulta.

Mahalagang obserbasyon tungkol sa unang batas ng Thermodynamics

Ang parehong init at trabaho ay dalawang paraan ng paglilipat ng enerhiya sa pagitan ng system at sa paligid nito. Ang lahat ng dami na kasangkot ay bilang isang yunit sa International System ang joule o joule, pinaikling ang J.

Ang unang batas ng thermodynamics ay nagbibigay ng impormasyon tungkol sa pagbabago ng enerhiya, hindi tungkol sa ganap na mga halaga ng panghuling o paunang enerhiya. Ang ilan sa mga ito ay maaaring makuha bilang 0, dahil ang inaasahan ay ang pagkakaiba sa mga halaga.

Ang isa pang mahalagang konklusyon ay ang bawat nakahiwalay na sistema ay may ΔU = 0, dahil hindi ito makapagpapalit ng init sa kapaligiran, at walang panlabas na ahente ang pinapayagan na magtrabaho sa ito, kaya't ang enerhiya ay nananatiling pare-pareho. Ang isang thermos upang mapanatiling mainit ang iyong kape ay isang makatwirang pagsapit.

Kaya sa isang hindi nakahiwalay na sistema ΔU ay palaging naiiba sa 0? Hindi kinakailangan, ang ΔU ay maaaring 0 kung ang mga variable nito, na karaniwang presyon, temperatura, dami at bilang ng mga mol, ay dumaan sa isang ikot kung saan pareho ang kanilang mga paunang at pangwakas na halaga.

Sa pag-ikot ng Carnot halimbawa, ang lahat ng enerhiya ng thermal ay na-convert sa mga magagamit na gawain, dahil hindi nito iniisip ang mga pagkalugi sa friction o lagkit.

Tulad ng para sa U, ang mahiwagang enerhiya ng system, kasama niya ang:

- Ang kinetic enerhiya ng mga particle habang lumilipat ito at nagmula sa mga panginginig ng boses at pag-ikot ng mga atoms at molekula.

- Potensyal na enerhiya dahil sa mga interaksyon sa elektrikal sa pagitan ng mga atom at molekula.

- Mga pakikipag-ugnay na tipikal ng atomic nucleus, tulad ng sa loob ng araw.

Aplikasyon

Ang unang batas ay nagsasabi na posible na makabuo ng init at trabaho sa pamamagitan ng sanhi ng pagbabago ng panloob na enerhiya ng isang sistema. Ang isa sa mga pinakamatagumpay na aplikasyon ay ang internal na pagkasunog ng engine, kung saan nakuha ang isang tiyak na dami ng gas at ang pagpapalawak nito ay ginagamit upang maisagawa ang trabaho. Ang isa pang kilalang application ay ang steam engine.

Karaniwang ginagamit ng mga makina ang mga siklo o proseso kung saan nagsisimula ang sistema mula sa isang paunang estado ng balanse patungo sa isa pang pangwakas na estado, din ng balanse. Marami sa kanila ang naganap sa ilalim ng mga kondisyon na nagpapadali sa pagkalkula ng trabaho at init mula sa unang batas.

Narito ang mga simpleng template na naglalarawan ng karaniwan, pang-araw-araw na mga sitwasyon. Ang pinaka-naglalarawan na proseso ay ang adiabatic, isochoric, isothermal, isobaric na proseso, sarado na mga proseso ng landas, at libreng pagpapalawak. Sa kanila, ang isang variable ng system ay pinananatiling palagi at dahil dito ang unang batas ay tumatagal ng isang partikular na form.

Mga proseso ng Isochoric

Ang mga ito ay kung saan ang dami ng system ay nananatiling pare-pareho. Samakatuwid, walang gawa na ginagawa at may W = 0 nananatili ito:

ΔU = Q

Mga proseso ng Isobaric

Sa mga prosesong ito, ang presyon ay nananatiling pare-pareho. Ang gawaing ginawa ng system ay dahil sa pagbabago sa dami.

Ipagpalagay na ang isang gas na nakakulong sa isang lalagyan. Dahil ang trabaho W ay tinukoy bilang:

Sa pamamagitan ng pagpapalit ng puwersang ito sa pagpapahayag ng trabaho, nagreresulta ito:

Ngunit ang produkto A. Δl ay katumbas ng pagbabago ng lakas ng tunog ΔV, iniiwan ang gawain tulad nito:

Para sa isang isobaric na proseso, ang unang batas ay kumukuha ng form:

ΔU = Q - p ΔV

Mga proseso ng Isothermal

Sila ang mga nagaganap sa isang palaging temperatura. Maaari itong maganap sa pamamagitan ng pakikipag-ugnay sa system na may isang panlabas na thermal reservoir at nagiging sanhi ng init exchange na maganap nang dahan-dahan, upang ang temperatura ay pare-pareho.

Halimbawa, ang init ay maaaring dumaloy mula sa isang mainit na imbakan ng tubig sa system, na nagpapahintulot sa sistema na gumawa ng trabaho, nang walang pagkakaiba-iba sa ΔU. Kaya:

Q + W = 0

Mga proseso ng Adiabatic

Sa proseso ng adiabatic walang paglilipat ng thermal energy, samakatuwid ang Q = 0 at ang unang batas ay nabawasan sa ΔU = W. Ang sitwasyong ito ay maaaring mangyari sa maayos na mga sistema at nangangahulugang ang pagbabago ng enerhiya ay nagmula sa gawa na naging ginawa sa ito, ayon sa kasalukuyang sign Convention (IUPAC).

Maaaring isipin na dahil walang paglipat ng thermal energy ang temperatura ay mananatiling pare-pareho, ngunit hindi ito palaging nangyayari. Nakakagulat, ang compression ng isang nakahiwalay na gas ay nagreresulta sa isang pagtaas sa temperatura nito, habang sa pagpapalawak ng adiabatic ay bumababa ang temperatura.

Mga proseso sa sarado na landas at libreng pagpapalawak

Sa isang saradong proseso ng landas, ang sistema ay bumalik sa parehong estado na mayroon ito sa simula, anuman ang nangyari sa mga puntos na intermediate. Ang mga prosesong ito ay binanggit bago kapag pinag-uusapan ang mga hindi hiwalay na mga sistema.

Sa kanila ΔU = 0 at samakatuwid ang Q = W o Q = -W depende sa pinagtibay sa pag-sign criterion.

Napakahalaga ng mga saradong proseso ng landas dahil nabuo nila ang pundasyon ng mga thermal engine tulad ng steam engine.

Sa wakas, ang libreng pagpapalawak ay isang ideyalisasyon na nagaganap sa isang thermally insulated container na naglalaman ng isang gas. Ang lalagyan ay may dalawang compartment na pinaghiwalay ng isang pagkahati o lamad at ang gas ay nasa isa sa mga ito.

Ang dami ng lalagyan ay nagdaragdag nang bigla kung ang lamad ay pumutok at ang gas ay lumalawak, ngunit ang lalagyan ay hindi naglalaman ng isang piston o anumang iba pang bagay upang ilipat. Pagkatapos ang gas ay hindi gumagana habang lumalawak ito at W = 0. Dahil sa thermally insulated, Q = 0 at agad itong sumusunod na ΔU = 0.

Samakatuwid, ang libreng pagpapalawak ay hindi nagiging sanhi ng mga pagbabago sa enerhiya ng gas, ngunit ang kabalintunaan habang pinapalawak ito ay wala sa balanse.

Mga halimbawa

- Ang isang karaniwang proseso ng isochoric ay ang pag-init ng isang gas sa isang airtight at matibay na lalagyan, halimbawa isang pressure cooker nang walang isang balbula ng tambutso. Sa ganitong paraan, ang dami ay nananatiling pare-pareho at kung inilalagay namin ang nasabing isang lalagyan na nakikipag-ugnay sa iba pang mga katawan, ang panloob na enerhiya ng gas ay nagbabago lamang salamat sa paglipat ng init dahil sa contact na ito.

- Ang mga makina ng thermal ay nagsasagawa ng isang ikot kung saan kumuha sila ng init mula sa isang thermal tank, na nagko-convert halos lahat sa trabaho, nag-iiwan ng isang bahagi para sa kanilang sariling operasyon at ang labis na init ay itinapon sa isa pang colder tank, na sa pangkalahatan ay nakapaligid

- Ang paghahanda ng mga sarsa sa isang walang takip na palayok ay isang pang-araw-araw na halimbawa ng isang isobaric na proseso, dahil ang pagluluto ay isinasagawa sa presyon ng atmospera at ang dami ng sarsa ay bumababa sa paglipas ng panahon habang ang likido ay sumisilaw.

- Ang isang mainam na gas kung saan naganap ang isang isothermal na proseso ay nagpapanatili ng produkto ng presyon at pare-pareho ang dami: P. V = palagi.

- Ang metabolismo ng mga hayop na may mainit na dugo ay nagbibigay-daan sa kanila upang mapanatili ang isang palaging temperatura at isagawa ang maraming mga biological na proseso, sa gastos ng enerhiya na nilalaman sa pagkain.

Larawan 2. Ang mga Athletes, tulad ng mga thermal machine, ay gumagamit ng gasolina upang magtrabaho at ang labis ay nawala sa pamamagitan ng pawis. Pinagmulan: Pixabay.

Malutas na ehersisyo

Ehersisyo 1

Ang isang gas ay naka-compress sa isang palaging presyon ng 0.800 atm, upang ang dami nito ay nag-iiba mula 9.00 L hanggang 2.00 L. Sa proseso, ang gas ay nagbibigay ng 400 J ng enerhiya sa pamamagitan ng init. a) Hanapin ang gawaing ginagawa sa gas at b) kalkulahin ang pagbabago sa panloob na enerhiya.

Solusyon sa)

Sa proseso ng adiabatic natutupad na P _o = P _f , ang gawaing ginawa sa gas ay W = P. ΔV, tulad ng ipinaliwanag sa mga naunang seksyon.

Ang mga sumusunod na kadahilanan ng conversion ay kinakailangan:

Samakatuwid: 0.8 atm = 81.060 Pa at Δ V = 9 - 2 L = 7 L = 0.007 m ³

Pagsusulat ng mga halagang nakukuha mo:

Solusyon b)

Kapag ang sistema ay nagbibigay ng init, ang Q ay itinalaga ng isang mag-sign -, samakatuwid ang unang batas ng Thermodynamics ay ang mga sumusunod:

ΔU = -400 J + 567.42 J = 167.42 J.

Mag-ehersisyo 2

Ito ay kilala na ang panloob na enerhiya ng isang gas ay 500 J at kapag ito ay naka-compress na adiabatically ang dami nito ay bumababa ng 100 cm ³ . Kung ang presyon na inilapat sa gas sa panahon ng compression ay 3.00 atm, kalkulahin ang panloob na enerhiya ng gas pagkatapos ng compression ng adiabatic.

Solusyon

Dahil ang pahayag ay nagpapabatid na ang compression ay adiabatic, totoo na ang Q = 0 at ΔU = W, kung gayon:

Sa paunang U = 500 J.

Ayon sa data na ΔV = 100 cm ³ = 100 x 10 ^-6 m ³ at 3 atm = 303975 Pa, samakatuwid:

Mga Sanggunian

1. Bauer, W. 2011. Physics para sa Teknolohiya at Siyensya. Dami 1. Mc Graw Hill.
2. Cengel, Y. 2012. Thermodynamics. 7 ^ma Edition. McGraw Hill.
3. Figueroa, D. (2005). Serye: Physics para sa Science at Engineering. Dami 4. Mga likido at Thermodynamics. Na-edit ni Douglas Figueroa (USB).
4. López, C. Ang Unang Batas ng Thermodynamics. Nabawi mula sa: culturacientifica.com.
5. Knight, R. 2017. Physics para sa Siyentipiko at Teknolohiya: isang Diskarte sa Diskarte. Pearson.
6. Serway, R., Vulle, C. 2011. Mga Batayang Pangkatangay ng Pisika. 9 ^na Ed. Cengage Learning.
7. Sevilla University. Mga Thermal Machines. Nabawi mula sa: laplace.us.es.
8. Wikiwand. Proseso ng Adiabatic. Nabawi mula sa: wikiwand.com.