UNDANG-UNDANG TERMODINAMIK PERTAMA: FORMULA, PERSAMAAN, CONTOH - FIZIKAL - 2025

The undang-undang pertama termodinamik menyatakan bahawa apa-apa perubahan yang dialami oleh tenaga sistem yang berasal dari kerja mekanikal dilakukan, ditambah haba ditukar dengan alam sekitar. Sama ada mereka dalam keadaan rehat atau bergerak, objek (sistem) mempunyai tenaga yang berbeza, yang dapat diubah dari satu kelas ke kelas yang lain melalui beberapa jenis proses.

Sekiranya sistem dalam keadaan diam di makmal dan tenaga mekaniknya adalah 0, ia masih mempunyai tenaga dalaman, kerana zarah-zarah yang menyusunnya secara berterusan mengalami pergerakan rawak.

Gambar 1. Enjin pembakaran dalaman menggunakan undang-undang termodinamik pertama untuk menghasilkan karya. Sumber: Pixabay.

Pergerakan zarah secara rawak, bersama dengan interaksi elektrik dan dalam beberapa kes nuklear, membentuk tenaga dalaman sistem dan apabila ia berinteraksi dengan persekitarannya, timbulnya variasi dalam tenaga dalaman.

Terdapat beberapa cara untuk membuat perubahan ini berlaku:

- Yang pertama adalah bahawa sistem menukar haba dengan persekitaran. Ini berlaku apabila terdapat perbezaan suhu antara keduanya. Kemudian yang lebih panas melepaskan haba - cara memindahkan tenaga - ke yang paling sejuk, sehingga kedua suhu sama, mencapai keseimbangan terma.

- Dengan menjalankan tugas, sama ada sistem melaksanakannya, atau ejen luaran melakukannya pada sistem.

- Menambah jisim ke sistem (jisim sama dengan tenaga).

Biarkan U menjadi tenaga dalaman, keseimbangannya adalah ΔU = U akhir - U awal, jadi lebih mudah untuk memberikan tanda-tanda, yang menurut kriteria IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) adalah:

- Positif Q dan W (+), apabila sistem menerima haba dan kerja dilakukan di atasnya (tenaga dipindahkan).

- Negatif Q dan W (-), jika sistem melepaskan haba dan melakukan kerja di persekitaran (mengurangkan tenaga).

Formula dan persamaan

Undang-undang termodinamik pertama adalah cara lain untuk menyatakan bahawa tenaga tidak diciptakan atau dimusnahkan, tetapi diubah dari satu jenis ke jenis yang lain. Melakukannya akan menghasilkan haba dan kerja, yang dapat digunakan dengan baik. Secara matematik dinyatakan seperti berikut:

ΔU = Q + W

Di mana:

- ΔU adalah perubahan tenaga sistem yang diberikan oleh: ΔU = Tenaga akhir - Tenaga awal = U _f - U _o

- Q adalah pertukaran haba antara sistem dan persekitaran.

- W adalah kerja yang dilakukan pada sistem.

Dalam beberapa teks undang-undang termodinamik pertama dikemukakan seperti ini:

ΔU = Q - W

Ini tidak bermaksud bahawa mereka saling bertentangan atau ada kesalahan. Ini kerana kerja W didefinisikan sebagai pekerjaan yang dilakukan oleh sistem daripada menggunakan pekerjaan yang dilakukan pada sistem, seperti dalam pendekatan IUPAC.

Dengan kriteria ini, hukum termodinamik pertama dinyatakan dengan cara ini:

Kedua-dua kriteria akan memberikan hasil yang betul.

Pemerhatian penting mengenai undang-undang termodinamik pertama

Kedua-dua haba dan kerja adalah dua cara untuk memindahkan tenaga antara sistem dan persekitarannya. Semua kuantiti yang terlibat mempunyai satu unit dalam Sistem Antarabangsa joule atau joule, disingkat J.

Undang-undang termodinamik pertama memberikan maklumat mengenai perubahan tenaga, bukan mengenai nilai mutlak tenaga akhir atau awal. Sebilangan dari mereka bahkan dapat dianggap sebagai 0, kerana yang penting adalah perbezaan nilai.

Kesimpulan penting lain adalah bahawa setiap sistem terpencil mempunyai ΔU = 0, kerana tidak dapat menukar haba dengan persekitaran, dan tidak ada agen luaran yang dibenarkan untuk mengerjakannya, jadi tenaga tetap berterusan. Termos untuk memastikan kopi anda hangat adalah pendekatan yang wajar.

Jadi dalam sistem yang tidak terpencil ΔU selalu berbeza dengan 0? Tidak semestinya, ΔU dapat 0 jika pemboleh ubahnya, yang biasanya tekanan, suhu, isi padu dan bilangan mol, melalui kitaran di mana nilai awal dan akhir mereka sama.

Dalam kitaran Carnot misalnya, semua tenaga terma ditukar menjadi kerja yang boleh digunakan, kerana tidak memikirkan kehilangan geseran atau kelikatan.

Bagi U, tenaga misteri sistem, dia merangkumi:

- Tenaga kinetik zarah ketika mereka bergerak dan yang berasal dari getaran dan putaran atom dan molekul.

- Tenaga berpotensi disebabkan oleh interaksi elektrik antara atom dan molekul.

- Interaksi khas inti atom, seperti di dalam matahari.

Permohonan

Undang-undang pertama menyatakan bahawa mungkin menghasilkan haba dan bekerja dengan menyebabkan tenaga dalaman sistem berubah. Salah satu aplikasi yang paling berjaya adalah mesin pembakaran dalaman, di mana jumlah gas tertentu diambil dan pengembangannya digunakan untuk melaksanakan kerja. Aplikasi lain yang terkenal ialah mesin stim.

Mesin biasanya menggunakan kitaran atau proses di mana sistem bermula dari keadaan keseimbangan awal ke keadaan akhir yang lain, juga keseimbangan. Sebilangan besar daripadanya berlaku dalam keadaan yang memudahkan pengiraan kerja dan panas dari undang-undang pertama.

Berikut adalah templat ringkas yang menggambarkan situasi biasa dan biasa setiap hari. Proses yang paling ilustratif adalah proses adiabatik, isokorik, isotermal, isobatik, proses jalan tertutup, dan pengembangan bebas. Di dalamnya, pemboleh ubah sistem disimpan tetap dan akibatnya undang-undang pertama mengambil bentuk tertentu.

Proses isokorik

Mereka adalah di mana jumlah sistem tetap tidak berubah. Oleh itu, tidak ada kerja yang dilakukan dan dengan W = 0 tetap:

ΔU = Q

Proses isobaric

Dalam proses ini tekanan tetap berterusan. Kerja yang dilakukan oleh sistem disebabkan oleh perubahan jumlah.

Katakan gas terkurung di dalam bekas. Oleh kerana kerja W ditakrifkan sebagai:

Dengan menggantikan kekuatan ini dalam ungkapan kerja, ia menghasilkan:

Tetapi produk A. Δl sama dengan perubahan volume ΔV, meninggalkan pekerjaan seperti ini:

Untuk proses isobaric, undang-undang pertama berbentuk:

ΔU = Q - p ΔV

Proses isotermal

Mereka adalah yang berlaku pada suhu tetap. Ini boleh berlaku dengan menghubungi sistem dengan takungan terma luaran dan menyebabkan pertukaran haba berlaku dengan sangat perlahan, sehingga suhunya tetap.

Sebagai contoh, haba dapat mengalir dari takungan panas ke dalam sistem, yang membolehkan sistem melakukan kerja, tanpa variasi dalam ΔU. Jadi:

Q + W = 0

Proses Adiabatik

Dalam proses adiabatik tidak ada pemindahan tenaga termal, oleh itu Q = 0 dan hukum pertama berkurang menjadi ΔU = W. Keadaan ini dapat terjadi pada sistem yang terasing dengan baik dan bermaksud bahawa perubahan tenaga berasal dari pekerjaan yang telah dibuat di atasnya, mengikut konvensyen tanda semasa (IUPAC).

Mungkin difikirkan bahawa kerana tidak ada pemindahan tenaga termal, suhunya akan tetap berterusan, tetapi ini tidak selalu berlaku. Anehnya, pemampatan gas terpencil mengakibatkan kenaikan suhu, sementara dalam pengembangan adiabatik suhu menurun.

Proses dalam jalan tertutup dan pengembangan bebas

Dalam proses jalan tertutup, sistem kembali ke keadaan yang sama pada awalnya, terlepas dari apa yang terjadi pada titik pertengahan. Proses-proses ini telah disebutkan sebelumnya ketika membincangkan sistem yang tidak terpencil.

Di dalamnya ΔU = 0 dan oleh itu Q = W atau Q = -W bergantung pada kriteria tanda yang diguna pakai.

Proses jalan tertutup sangat penting kerana ia menjadi asas kepada mesin termal seperti mesin wap.

Akhirnya, pengembangan bebas adalah idealisasi yang berlaku dalam bekas bertebat termal yang mengandungi gas. Bekas mempunyai dua petak yang dipisahkan oleh partisi atau membran dan gas berada di salah satu daripadanya.

Isi padu bekas meningkat secara tiba-tiba jika membran pecah dan gas mengembang, tetapi bekas itu tidak mengandungi omboh atau objek lain untuk bergerak. Oleh itu gas tidak berfungsi semasa mengembang dan W = 0. Oleh kerana ia terlindung termal, Q = 0 dan segera disimpulkan bahawa ΔU = 0.

Oleh itu, pengembangan bebas tidak menyebabkan perubahan tenaga gas, tetapi secara paradoks semasa mengembangkannya tidak berada dalam keseimbangan.

Contoh

- Proses isokorik yang biasa adalah pemanasan gas di dalam bekas kedap udara dan kaku, misalnya periuk tekanan tanpa injap ekzos. Dengan cara ini, isipadu tetap tidak berubah dan jika kita meletakkan wadah seperti itu dengan badan lain, tenaga dalaman gas hanya berubah berkat pemindahan haba kerana hubungan ini.

- Mesin termal menjalankan kitaran di mana mereka mengambil haba dari tangki termal, mengubah hampir semuanya menjadi kerja, meninggalkan bahagian untuk operasi mereka sendiri dan lebihan haba dibuang ke tangki yang lebih sejuk, yang umumnya ambien.

- Menyiapkan sos dalam periuk yang belum ditutup adalah contoh harian proses isobar, kerana memasak dilakukan pada tekanan atmosfera dan jumlah sos menurun dari masa ke masa ketika cairan menguap.

- Gas ideal di mana proses isoterma berlaku menjadikan produk tekanan dan isipadu tetap: P. V = malar.

- Metabolisme haiwan berdarah panas memungkinkan mereka menjaga suhu tetap dan melakukan banyak proses biologi, dengan mengorbankan tenaga yang terdapat dalam makanan.

Gambar 2. Atlet, seperti mesin termal, menggunakan bahan bakar untuk melakukan kerja dan lebihan itu hilang melalui peluh. Sumber: Pixabay.

Latihan yang diselesaikan

Latihan 1

Gas dimampatkan pada tekanan tetap 0,800 atm, sehingga isinya bervariasi dari 9,00 L hingga 2,00 L. Dalam prosesnya, gas menyalurkan 400 J tenaga melalui panas. a) Cari kerja yang dilakukan pada gas dan b) hitung perubahan tenaga dalamannya.

Penyelesaian untuk)

Dalam proses adiabatik dipenuhi bahawa P _o = P _f , kerja yang dilakukan pada gas adalah W = P. ΔV, seperti yang dijelaskan pada bahagian sebelumnya.

Faktor penukaran berikut diperlukan:

Oleh itu: 0.8 atm = 81.060 Pa dan Δ V = 9 - 2 L = 7 L = 0.007 m ³

Menggantikan nilai yang anda dapat:

Penyelesaian b)

Apabila sistem melepaskan panas, Q diberi tanda - oleh itu undang-undang termodinamik pertama adalah seperti berikut:

ΔU = -400 J + 567.42 J = 167.42 J

Latihan 2

Adalah diketahui bahawa tenaga dalam bagi gas adalah 500 J dan apabila ia dimampatkan secara adiabatik jumlah itu berkurangan sebanyak 100 cm ³ . Sekiranya tekanan yang dikenakan pada gas semasa pemampatan adalah 3,00 atm, hitung tenaga dalaman gas setelah pemampatan adiabatik.

Penyelesaian

Oleh kerana pernyataan tersebut memaklumkan bahawa mampatan itu berlaku, benar bahawa Q = 0 dan ΔU = W, maka:

Dengan U awal = 500 J.

Menurut data ΔV = 100 cm ³ = 100 x 10 ^-6 m ³ dan 3 atm = 303975 Pa, oleh itu:

Rujukan

1. Bauer, W. 2011. Fizik untuk Kejuruteraan dan Sains. Jilid 1. Mc Graw Hill.
2. Cengel, Y. 2012. Termodinamik. Edisi 7 ^ma . Bukit McGraw.
3. Figueroa, D. (2005). Siri: Fizik untuk Sains dan Kejuruteraan. Jilid 4. Cecair dan Termodinamik. Disunting oleh Douglas Figueroa (USB).
4. López, C. Undang-undang Termodinamik Pertama. Dipulihkan dari: culturacientifica.com.
5. Knight, R. 2017. Fizik untuk Saintis dan Kejuruteraan: Pendekatan Strategi. Pearson.
6. Serway, R., Vulle, C. 2011. Asas Fizik. 9 ^na Ed. Pembelajaran Cengage.
7. Universiti Sevilla. Mesin Termal. Dipulihkan dari: laplace.us.es.
8. Wikiwand. Proses Adiabatik. Dipulihkan dari: wikiwand.com.