กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ พลังงานภายในความร้อน

กระบวนการทางกายภาพ เช่น ความร้อนและงานสามารถอธิบายได้ด้วยการถ่ายโอนพลังงานจากร่างกายหนึ่งไปยังอีกร่างกายหนึ่ง ในกรณีของงาน เรากำลังพูดถึงพลังงานกล ในขณะที่ความร้อนหมายถึงพลังงานความร้อน การถ่ายโอนพลังงานดำเนินการตามกฎของอุณหพลศาสตร์ บทบัญญัติหลักของฟิสิกส์สาขานี้เรียกว่า "หลักการ"

กฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์ควบคุมและจำกัดกระบวนการถ่ายโอนพลังงานในระบบใดระบบหนึ่ง

ประเภทของระบบพลังงาน

มีระบบพลังงานสองประเภทในโลกทางกายภาพ ระบบปิดหรือระบบปิดมีมวลคงที่ ในระบบเปิดหรือเปิด มวลสามารถลดลงและเพิ่มขึ้นได้ขึ้นอยู่กับกระบวนการที่เกิดขึ้นในระบบนี้ ระบบที่สังเกตได้ส่วนใหญ่ไม่ได้ปิด

การวิจัยในระบบดังกล่าวมีความซับซ้อนเนื่องจากปัจจัยสุ่มหลายประการที่ส่งผลต่อความน่าเชื่อถือของผลลัพธ์ ดังนั้นนักฟิสิกส์จึงศึกษาปรากฏการณ์ในระบบปิดโดยคาดการณ์ผลลัพธ์ให้เป็นแบบเปิดโดยคำนึงถึงการแก้ไขที่จำเป็น

พลังงานของระบบแยก

ระบบปิดใดๆ ที่ไม่มีการแลกเปลี่ยนพลังงานด้วย สิ่งแวดล้อม, ถูกแยกออกจากกัน สถานะสมดุลของระบบดังกล่าวถูกกำหนดโดยการอ่านปริมาณต่อไปนี้:

• P - แรงดันในระบบ
• V คือปริมาตรของระบบแยก
• T-อุณหภูมิ;
• n คือจำนวนโมลของก๊าซในระบบ

อย่างที่คุณเห็นปริมาณความร้อนและงานที่ทำไม่รวมอยู่ในรายการนี้ ระบบปิดแบบแยกเดี่ยวไม่แลกเปลี่ยนความร้อนและไม่ก่อให้เกิดงาน พลังงานทั้งหมดของเธอยังคงไม่เปลี่ยนแปลง

การเปลี่ยนแปลงพลังงานของระบบ

เมื่อทำงานหรือเกิดกระบวนการแลกเปลี่ยนความร้อน สถานะของระบบจะเปลี่ยนไป และจะไม่ถือว่าแยกออกจากกันอีกต่อไป

คำแถลงกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์

ประการแรก กฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์ได้มาจากระบบที่แยกได้ ได้รับการพิสูจน์ในภายหลังว่ากฎหมายนั้นเป็นสากลและสามารถนำไปใช้กับระบบเปิดได้หากคำนึงถึงการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในที่เกิดขึ้นเนื่องจากความผันผวนของปริมาณสสารในระบบอย่างถูกต้อง หากระบบที่อยู่ระหว่างการพิจารณาย้ายจากสถานะ A ไปยังสถานะ B แสดงว่างานที่ระบบทำเสร็จแล้ว วและปริมาณความร้อน ถามจะแตกต่างกันไป กระบวนการที่แตกต่างกันทำให้การอ่านตัวแปรเหล่านี้แตกต่างกัน แม้ว่าในที่สุดระบบจะกลับสู่สถานะดั้งเดิมก็ตาม แต่มีความแตกต่าง ว- ถามจะเป็นเหมือนเดิมเสมอ กล่าวอีกนัยหนึ่งหากหลังจากผลกระทบบางอย่างระบบกลับคืนสู่สถานะดั้งเดิม กฎจะถูกปฏิบัติตามโดยไม่คำนึงถึงประเภทของกระบวนการที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงของระบบดังกล่าว ว- ถาม= ค่าคงที่.

ในบางกรณี การใช้สูตรอนุพันธ์ในการแสดงกฎข้อแรกจะสะดวกกว่า ดูเหมือนว่านี้: คุณ= dW- ดีคิว

ที่นี่ ดียู- การเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในเพียงเล็กน้อย

เดววัตต์- ปริมาณที่แสดงถึงการทำงานขั้นต่ำของระบบ

ดีคิว- ปริมาณความร้อนที่น้อยที่สุดที่ถูกถ่ายโอนไปยังระบบที่กำหนด

เอนทาลปี

เพื่อการประยุกต์ใช้กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ในวงกว้างขึ้น จึงมีการนำแนวคิดเรื่องเอนทาลปีมาใช้

นี่คือชื่อที่ตั้งให้กับจำนวนพลังงานทั้งหมดของสารและผลิตภัณฑ์ของปริมาตรและความดัน การแสดงออกทางกายภาพของเอนทาลปีสามารถแสดงได้ด้วยสูตรต่อไปนี้:

ค่าสัมบูรณ์ของเอนทัลปีคือผลรวมของเอนทัลปีของทุกส่วนที่ประกอบกันเป็นระบบ

ค่านี้ไม่สามารถกำหนดได้ในแง่ปริมาณ นักฟิสิกส์ทำงานเฉพาะกับความแตกต่างระหว่างเอนทาลปีของสถานะสุดท้ายและสถานะเริ่มต้นของระบบเท่านั้น อันที่จริงในการคำนวณการเปลี่ยนแปลงสถานะของระบบจะมีการเลือกระดับหนึ่งซึ่งพลังงานศักย์เท่ากับศูนย์ เช่นเดียวกันเมื่อคำนวณเอนทาลปี หากเราใช้แนวคิดเรื่องเอนทาลปี กฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์สำหรับกระบวนการไอโซโพรเซสจะมีลักษณะดังนี้: คุณ= dW- ดีเอช

เอนทาลปีของระบบใดๆ ขึ้นอยู่กับ โครงสร้างภายในสารที่ประกอบกันเป็นระบบนี้ ตัวบ่งชี้เหล่านี้จะขึ้นอยู่กับโครงสร้างของสาร อุณหภูมิ ปริมาณ และความดัน สำหรับ สารที่ซับซ้อนคุณสามารถคำนวณเอนทาลปีมาตรฐานของการก่อตัว ซึ่งเท่ากับปริมาณความร้อนที่จำเป็นในการสร้างโมลของสารจากส่วนประกอบง่ายๆ ตามกฎแล้ว ค่าเอนทาลปีมาตรฐานจะเป็นลบ เนื่องจากการสังเคราะห์สารเชิงซ้อนในกรณีส่วนใหญ่จะปล่อยความร้อนออกมา

กฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์ในกระบวนการอะเดียแบติก

การประยุกต์ใช้กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์สำหรับกระบวนการไอโซโพรเซสสามารถพิจารณาได้ในรูปแบบกราฟิก ตัวอย่างเช่น พิจารณากระบวนการอะเดียแบติกซึ่งปริมาณความร้อนยังคงไม่เปลี่ยนแปลงตลอดเวลา กล่าวคือ ถาม= ค่าคงที่. ไอโซโพรเซสนี้เกิดขึ้นในระบบฉนวนความร้อนหรือในช่วงเวลาสั้นๆ ที่ระบบไม่มีเวลาแลกเปลี่ยนความร้อนกับ สภาพแวดล้อมภายนอก- การขยายตัวอย่างช้าๆ ของก๊าซบนแผนภาพปริมาตร-ความดัน อธิบายได้ด้วยเส้นโค้งต่อไปนี้:

จากกราฟนี้ เป็นไปได้ที่จะปรับการประยุกต์ใช้กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์กับกระบวนการไอโซโพรเซส เนื่องจากปริมาณความร้อนในกระบวนการอะเดียแบติกไม่มีการเปลี่ยนแปลง การเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในจึงเท่ากับปริมาณงานที่ทำ ดียู= - เดววัตต์

ตามมาว่าพลังงานภายในของระบบลดลงและอุณหภูมิลดลง

ตัวอย่างของกระบวนการอะเดียแบติก

ข้อความที่ตรงกันข้ามก็เป็นจริงเช่นกัน: ความดันที่ลดลงในกรณีที่ไม่มีการแลกเปลี่ยนความร้อนจะทำให้อุณหภูมิของระบบเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว นี่เป็นประมาณการขยายตัวของก๊าซในเครื่องยนต์สันดาปภายใน ในเครื่องยนต์ดีเซล ก๊าซที่ติดไฟได้จะถูกอัด 15 เท่า อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นในระยะสั้นช่วยให้ ส่วนผสมที่ติดไฟได้ติดไฟด้วยตัวมันเอง

เราสามารถพิจารณาอีกตัวอย่างหนึ่งของกระบวนการอะเดียแบติก - การขยายตัวของก๊าซอย่างอิสระ เมื่อต้องการทำเช่นนี้ พิจารณาการติดตั้งต่อไปนี้ ประกอบด้วยคอนเทนเนอร์ที่สอง:

ถังใบแรกมีแก๊ส ถังใบที่สองไม่มี การหมุนก๊อกจะทำให้แน่ใจได้ว่าแก๊สจะเต็มตามปริมาตรที่กำหนด หากระบบแยกได้เพียงพอ อุณหภูมิของก๊าซจะยังคงไม่เปลี่ยนแปลง เนื่องจากแก๊สไม่ได้ทำงานใดๆ จึงมีตัวแปร เดววัตต์= ค่าคงที่. ปรากฎว่าเมื่อมีสิ่งอื่นเท่ากัน อุณหภูมิของก๊าซจะลดลงในระหว่างการขยายตัว การขยายตัวของแก๊สเกิดขึ้นไม่สม่ำเสมอ ดังนั้นกระบวนการนี้จึงไม่สามารถแสดงบนแผนภาพปริมาตรความดันได้

กฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์เป็นกฎสากลที่ใช้กับกระบวนการที่สังเกตได้ทั้งหมดในจักรวาล ความเข้าใจอย่างลึกซึ้งเกี่ยวกับสาเหตุของการเปลี่ยนแปลงพลังงานทำให้เราเข้าใจปรากฏการณ์ทางกายภาพที่มีอยู่และค้นพบกฎใหม่

กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์

วางแผน

พลังงานภายใน

ไอโซโพรเซส

ทำงานกับไอโซโพรเซส

กระบวนการอะเดียแบติก

ความจุความร้อน

พลังงานภายในร่างกาย

พลังงานภายในของร่างกายประกอบด้วยพลังงานจลน์ของการเคลื่อนที่แบบแปลนและแบบหมุนของโมเลกุล พลังงานจลน์และพลังงานศักย์ของการเคลื่อนที่แบบสั่นสะเทือนของอะตอมในโมเลกุล พลังงานศักย์ของอันตรกิริยาระหว่างโมเลกุลและพลังงานภายในโมเลกุล (ในนิวเคลียร์)

พลังงานจลน์และศักย์ของร่างกายโดยรวมไม่รวมอยู่ในพลังงานภายใน

พลังงานภายในของระบบอุณหพลศาสตร์ของร่างกายประกอบด้วยพลังงานภายในของการมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างร่างกายและพลังงานภายในของแต่ละร่างกาย

งานของระบบอุณหพลศาสตร์บนวัตถุภายนอกประกอบด้วยการเปลี่ยนสถานะของวัตถุเหล่านี้และถูกกำหนดโดยปริมาณพลังงานที่ระบบเทอร์โมไดนามิกถ่ายโอนไปยังวัตถุภายนอก

ความร้อนคือปริมาณพลังงานที่ระบบจ่ายให้กับวัตถุภายนอกผ่านการแลกเปลี่ยนความร้อน งานและความร้อนไม่ใช่หน้าที่ของสถานะของระบบ แต่เป็นหน้าที่ของการเปลี่ยนจากสถานะหนึ่งไปอีกสถานะหนึ่ง

ระบบอุณหพลศาสตร์คือระบบที่เรียกว่าชุดของวัตถุขนาดมหภาคที่สามารถแลกเปลี่ยนพลังงานระหว่างกันและกับสภาพแวดล้อมภายนอก (กับวัตถุอื่น) (ตัวอย่างเช่นของเหลวและไอที่อยู่ด้านบน) ระบบอุณหพลศาสตร์มีลักษณะเฉพาะด้วยพารามิเตอร์ต่อไปนี้:

ป, วี, ต, ρ ฯลฯ

สถานะของระบบ เมื่อพารามิเตอร์อย่างน้อยหนึ่งตัวเปลี่ยนแปลง เรียกว่าไม่มีสมดุล

ระบบอุณหพลศาสตร์ที่ไม่แลกเปลี่ยนพลังงานกับวัตถุภายนอกเรียกว่าระบบปิด

กระบวนการทางอุณหพลศาสตร์คือการเปลี่ยนระบบจากสถานะเดียว (ป 1 , วี 1 , ต 1 ) ไปยังอีก (ป 2 , วี 2 , ต 2 ) – ความไม่สมดุลในระบบ

กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์

ปริมาณความร้อนที่จ่ายให้กับระบบจะไปเพิ่มพลังงานภายในของระบบและเพื่อดำเนินการกับวัตถุภายนอกโดยระบบ

กฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์เป็นกรณีพิเศษของกฎการอนุรักษ์พลังงานโดยคำนึงถึงพลังงานภายในของระบบ:

ถาม= คุณ 2 - คุณ 1 + ก;

คุณ 1, คุณ 2 - ค่าเริ่มต้นและสุดท้ายของพลังงานภายในของร่างกาย

ก- งานที่ทำโดยระบบ

ถาม- ปริมาณความร้อนที่จ่ายให้กับระบบ

ในรูปแบบที่แตกต่างกัน:

ง ถาม= ดียู+ ง ก;

ดียู- มีความแตกต่างทั้งหมด และขึ้นอยู่กับความแตกต่างระหว่างสถานะเริ่มต้นและขั้นสุดท้ายของระบบ

ง ถามและง ก– ส่วนต่างที่ไม่สมบูรณ์ ขึ้นอยู่กับตัวกระบวนการเอง นั่นคือ บนเส้นทางของกระบวนการ งานเสร็จสิ้นเมื่อระดับเสียงเปลี่ยนแปลง:

ง ก= Fdx= pSdx = พีดีวี;

ง ก= พีดีวี;

กฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์คือ กลไกการเคลื่อนที่ตลอดกาลประเภทแรกเป็นไปไม่ได้ กล่าวคือ เครื่องยนต์ที่จะทำงานได้มากกว่าพลังงานที่ได้รับจากภายนอก

- ไม่ขึ้นอยู่กับเส้นทางบูรณาการ

- ขึ้นอยู่กับเส้นทางการรวมฟังก์ชันกระบวนการและไม่สามารถเขียนได้:

ก 2 - ก 1 ; ถาม 2 - ถาม 1 ;

ก, ถาม- ไม่ใช่ฟังก์ชันของรัฐ คุณไม่สามารถพูดถึงกฎแห่งการทำงานและความร้อนได้

นี่ไม่มีอะไรมากไปกว่ากฎการอนุรักษ์พลังงาน

ไอโซโพรเซส

1) กระบวนการไอโซคอริก:

วี=กับเป็นต้นไป;

กระบวนการให้ความร้อนแก่แก๊สในปริมาตรปิด

ง Q=dU+pdV,

พีดีวี=0; ง ยู=ดียู

กฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์เกิดขึ้นในรูปแบบนี้

ความจุความร้อนที่วี- ค่าคงที่:

ความจุความร้อนถูกกำหนดโดยอัตราส่วนของความร้อนที่เพิ่มขึ้นที่ระบบได้รับต่ออุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น

2) กระบวนการไอโซบาริก:

ป= ค่าคงที่;

ง ถาม= ดียู+ ง ก;

แบ่งตามดีที(ต่อก๊าซ 1 โมล):

พีวี=RT,

ซีพี= ประวัติย่อ+ ร,

3) กระบวนการไอโซเทอร์มอล:

ต= ค่าคงที่,

ป วี = ก;

เนื่องจากพลังงานภายในขึ้นอยู่กับตแล้วมีการขยายตัวแบบไอโซเทอร์มอลดียู=0:

ง ถาม= ง ก,

ความร้อนที่จ่ายให้กับก๊าซในระหว่างการขยายตัวของอุณหภูมิความร้อนจะถูกแปลงเป็นงานการขยายตัวทั้งหมด

ดีคิวมีแนวโน้มที่จะ ∞,ดีทีมีแนวโน้มเป็น 0

4) กระบวนการอะเดียแบติก:

ไม่มีการแลกเปลี่ยนความร้อนกับสิ่งแวดล้อม กฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์มีรูปแบบ:

ง ถาม=0; คุณ+ง ก=0,

คุณ+ง ก=0; ง A=-dU,

ในกระบวนการอะเดียแบติก งานจะเกิดขึ้นเนื่องจากการสูญเสียพลังงานภายในของก๊าซเท่านั้น

กระบวนการซึ่งง ถาม=0 - อะเดียแบติก กระบวนการอะเดียแบติกมักมาพร้อมกับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิร่างกายเสมอ เนื่องจากในระหว่างการขยายตัวแบบอะเดียแบติก งานจะเสร็จสิ้นเนื่องจากพลังงานภายใน (1 cal = 4.19 J)

ทำงานกับไอโซโพรเซส

1) กระบวนการไอโซคอริก:

วี= ค่าคงที่

ง ก= พีดีวี=0; ก โวลต์ =0,

งานของแรงกดในระหว่างกระบวนการสมดุลจะมีค่าเท่ากับพื้นที่ใต้เส้นโค้งที่แสดงกระบวนการบนพีวี- แผนภาพ:

ง ก= พีดีวี.

2) กระบวนการไอโซบาริก:

พี=คอนต์;

ง A=พีดีวี;

3) กระบวนการไอโซเทอร์มอล:

ต= ค่าคงที่;

ง ก= พีดีวี;

ดีวี= RT;

;

ความสมดุลของกระบวนการ:

4) กระบวนการอะเดียแบติก:

ง ถาม= ดียู+ พีดีวี;

dU=-pdV,

ง ถาม=0; du=ค โวลต์ ดีที,

,

มาบูรณาการกัน:

+ (γ-1) lnV= ค่าคงที่

(ทีวี γ-1 )= ค่าคงที่,

(ทีวี γ-1 ) = const –สมการปัวซอง

;

รวี γ = ค่าคงที่.

6. ความจุความร้อน

1) ความจุความร้อนของร่างกายคือปริมาณความร้อนที่ต้องส่งให้กับร่างกายเพื่อให้ร้อนขึ้น 1 0 กับ.

ค พี = ค วี + ร; ค ป > ค วี

ความจุความร้อนอาจสัมพันธ์กับมวลต่อหน่วย หนึ่งโมล และปริมาตรหน่วย ตามนั้น: เฉพาะเจาะจง ฟันกราม ปริมาตร ([J/kg*deg]; [J/mol*deg]; [J/m 3* ลูกเห็บ]).

2) ความจุความร้อนในก๊าซจริง:

พลังงานภายในของโมล:

เอ็น ก เค= ร,

– ความจุความร้อน 1 โมลที่ปริมาตรคงที่ (โวลต์= ค่าคงที่).

;

– ความจุความร้อน 1 โมลที่ความดันคงที่ (พี= ค่าคงที่).

ความร้อนจำเพาะ

[ ] ;

ฟังก์ชั่นของรัฐ

ว= คุณ+ พีวี; ค พี > ค โวลต์

เมื่อได้รับความร้อนขณะคงส่วน Pถามไปเพื่อการขยายตัว มีเพียงการขยายเท่านั้นที่สามารถรักษา R ได้

ไอโซเทอม:พีวี= ค่าคงที่;

อะเดียบัท:พีวี γ = ค่าคงที่;

พีวี γ

เนื่องจาก γ>1 เส้นโค้งอะเดียแบติกจะชันกว่าไอโซเทอร์ม

;

ค โวลต์ dT + pdV=0;

ง A=pdV= - ค โวลต์ ดีที;

พีวี γ =พ 1 วี 1 γ ,

การถ่ายโอนพลังงานจากร่างกายหนึ่งไปยังอีกร่างกายหนึ่งมีสองรูปแบบ - นี่คือการทำงานของร่างกายบางส่วนกับร่างกายอื่นและการถ่ายเทความร้อน พลังงาน การเคลื่อนไหวทางกลสามารถแปลงเป็นพลังงานความร้อนและในทางกลับกัน ในการเปลี่ยนผ่านพลังงานดังกล่าว เป็นไปตามกฎการอนุรักษ์พลังงาน เมื่อนำไปใช้กับกระบวนการที่พิจารณาในอุณหพลศาสตร์ กฎการอนุรักษ์พลังงานเรียกว่ากฎข้อที่หนึ่ง (หรือกฎข้อที่หนึ่ง) ของอุณหพลศาสตร์ กฎข้อนี้เป็นลักษณะทั่วไปของข้อมูลเชิงประจักษ์

คำแถลงกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์

กฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์มีสูตรดังนี้:

ปริมาณความร้อนที่จ่ายให้กับระบบจะใช้ในการทำงานของระบบ (ต่อแรงภายนอก) และการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายใน ในรูปแบบทางคณิตศาสตร์ กฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์สามารถเขียนได้ในรูปแบบอินทิกรัล:

ปริมาณความร้อนที่ระบบอุณหพลศาสตร์ได้รับคือที่ไหน - การเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในของระบบที่อยู่ระหว่างการพิจารณา A คืองานที่ระบบทำกับวัตถุภายนอก (ต่อต้านแรงภายนอก)

ในรูปแบบดิฟเฟอเรนเชียล กฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์เขียนเป็น:

องค์ประกอบของปริมาณความร้อนที่ระบบได้รับอยู่ที่ไหน - ไม่มีที่สิ้นสุด งานเล็กๆซึ่งดำเนินการโดยระบบอุณหพลศาสตร์ - การเปลี่ยนแปลงเบื้องต้นในพลังงานภายในของระบบที่อยู่ระหว่างการพิจารณา ควรสังเกตว่าในสูตร (2) การเปลี่ยนแปลงเบื้องต้นของพลังงานภายในคือ เฟืองท้ายเต็มไม่เหมือน และ

ปริมาณความร้อนจะถือเป็นบวกหากระบบได้รับความร้อนและเป็นลบหากความร้อนถูกกำจัดออกจากระบบเทอร์โมไดนามิกส์ งานจะมากกว่าศูนย์หากดำเนินการโดยระบบ และงานจะถือเป็นลบหากดำเนินการบนระบบโดยแรงภายนอก

หากระบบกลับสู่สถานะเดิม การเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในจะเป็นศูนย์:

ในกรณีนี้ ตามกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ เรามี:

นิพจน์ (4) หมายความว่าเครื่องจักรการเคลื่อนที่ตลอดกาลประเภทแรกเป็นไปไม่ได้ นั่นคือโดยพื้นฐานแล้วเป็นไปไม่ได้เลยที่จะสร้างระบบปฏิบัติการเป็นระยะ (เครื่องยนต์ความร้อน) ที่จะทำงานที่มากกว่าปริมาณความร้อนที่ระบบได้รับจากภายนอก ข้อความเกี่ยวกับความเป็นไปไม่ได้ของเครื่องจักรเคลื่อนที่ตลอดประเภทแรกก็เป็นหนึ่งในตัวเลือกสำหรับการกำหนดกฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์

ตัวอย่างการแก้ปัญหา

ตัวอย่างที่ 1

ออกกำลังกาย	ความร้อน () จะถูกถ่ายโอนไปยังก๊าซในอุดมคติที่มีปริมาตร V เท่าใดในระหว่างการให้ความร้อนแบบไอโซคอริก หากความดันของมันเปลี่ยนแปลงตามค่า พิจารณาว่าจำนวนองศาอิสระของโมเลกุลก๊าซเท่ากับ i
สารละลาย	พื้นฐานในการแก้ปัญหาคือกฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์ซึ่งเราจะใช้ในรูปแบบอินทิกรัล: เนื่องจากตามเงื่อนไขของปัญหากระบวนการที่มีแก๊สจะดำเนินการแบบไอโซโคริก () จากนั้นงานในกระบวนการนี้จะเท่ากับศูนย์ดังนั้นกฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์สำหรับกระบวนการไอโซโคริกจะอยู่ในรูปแบบ: การเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในถูกกำหนดโดยใช้สูตร: โดยที่ i คือจำนวนองศาอิสระของโมเลกุลก๊าซ - ปริมาณของสาร R คือค่าคงที่ก๊าซสากล เนื่องจากเราไม่ทราบว่าอุณหภูมิของก๊าซเปลี่ยนแปลงไปอย่างไรในกระบวนการที่พิจารณา เราจึงใช้สมการ Mendeleev-Clapeyron เพื่อค้นหา: ให้เราแสดงอุณหภูมิจาก (1.4) และเขียนสูตรสำหรับสองสถานะของระบบที่กำลังพิจารณา: การใช้นิพจน์ (1.5) เราพบ: จากนิพจน์ (1.3) และ (1.6) ตามมาว่าสำหรับกระบวนการไอโซคอริก การเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายในสามารถพบได้ดังนี้: และจากกฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์สำหรับกระบวนการของเรา (ที่ ) เราได้ว่า:
คำตอบ

ตัวอย่างที่ 2

ออกกำลังกาย

ค้นหาการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในของออกซิเจน () งานที่ทำ (A) และปริมาณความร้อนที่ได้รับ () ในกระบวนการ (1-2-3) ซึ่งระบุไว้บนกราฟ (รูปที่ 1) . พิจารณาว่า ม. 3; 100 กิโลปาสคาล; ม. 3; ปาสคาล

สารละลาย

การเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายในไม่ได้ขึ้นอยู่กับความก้าวหน้าของกระบวนการ เนื่องจากพลังงานภายในเป็นหน้าที่ของรัฐ ขึ้นอยู่กับสถานะสุดท้ายและสถานะเริ่มต้นของระบบเท่านั้น ดังนั้นเราจึงสามารถเขียนได้ว่าการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในในกระบวนการ 1-2-3 เท่ากับ: โดยที่ i คือจำนวนองศาอิสระของโมเลกุลออกซิเจน (เนื่องจากโมเลกุลประกอบด้วยสองอะตอมเราจึงพิจารณา) คือปริมาณของสาร . ความแตกต่างของอุณหภูมิสามารถพบได้โดยใช้สมการสถานะ ก๊าซในอุดมคติและดูกราฟกระบวนการ:

สำหรับระบบ รวมถึงสิ่งมีชีวิต กระบวนการทางความร้อน (การดูดซับหรือการปล่อยความร้อน) มีความสำคัญ ตามกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ เทอร์โมไดนามิกส์ ระบบ (เช่น ไอน้ำในเครื่องยนต์ความร้อน) สามารถทำงานได้เนื่องจากภายในเท่านั้น พลังงานหรือส.ล.

ต่อ แหล่งพลังงาน กฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์มักถูกกำหนดไว้ว่าความเป็นไปไม่ได้ของการมีอยู่ของเครื่องจักรการเคลื่อนที่ตลอดกาลประเภทแรก ซึ่งจะทำงานโดยไม่ต้องดึงพลังงานจากแหล่งใดแหล่งหนึ่ง ป

กฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์แนะนำแนวคิดเกี่ยวกับพลังงานภายในของระบบในฐานะฟังก์ชันของรัฐ เมื่อความร้อนจำนวนหนึ่ง Q ถูกสื่อสารไปยังระบบ การเปลี่ยนแปลงจะเกิดขึ้นภายใน พลังงานของระบบ DU และระบบทำงาน A:

ต่อ แหล่งพลังงาน กฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์มักถูกกำหนดไว้ว่าความเป็นไปไม่ได้ของการมีอยู่ของเครื่องจักรการเคลื่อนที่ตลอดกาลประเภทแรก ซึ่งจะทำงานโดยไม่ต้องดึงพลังงานจากแหล่งใดแหล่งหนึ่ง DU = ถาม + ก.

กฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์ระบุว่าแต่ละสถานะของระบบมีลักษณะเฉพาะด้วยค่าภายในที่แน่นอน พลังงาน U ไม่ว่าระบบจะเข้าสู่สถานะนี้ได้อย่างไรต่างจากค่า U ค่า A และ Q ขึ้นอยู่กับกระบวนการที่นำไปสู่การเปลี่ยนแปลงสถานะของระบบ หากสถานะเริ่มต้นและสถานะสุดท้าย a และ b อยู่ใกล้กันอย่างไม่มีที่สิ้นสุด (การเปลี่ยนผ่านระหว่างสถานะดังกล่าวเรียกว่ากระบวนการเล็ก ๆ ) กฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์จะถูกเขียนเป็น:

จากปริมาณงานทั้งหมดที่เกิดจากระบบปริมาตร Y เราสามารถแยกงานของอุณหภูมิความร้อนแบบผันกลับได้ออกมา

ต่อ แหล่งพลังงาน กฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์มักถูกกำหนดไว้ว่าความเป็นไปไม่ได้ของการมีอยู่ของเครื่องจักรการเคลื่อนที่ตลอดกาลประเภทแรก ซึ่งจะทำงานโดยไม่ต้องดึงพลังงานจากแหล่งใดแหล่งหนึ่ง การขยายตัวภายใต้อิทธิพลของภายนอก ความดัน p e เท่ากับ p e V และงานประเภทอื่น ๆ ทั้งหมดซึ่งแต่ละงานสามารถแสดงได้ด้วยผลคูณของแรงทั่วไปบางอย่างที่กระทำต่อระบบจากสิ่งแวดล้อมโดยพิกัดทั่วไป x i ซึ่งเปลี่ยนแปลงภายใต้อิทธิพลของแรงทั่วไปที่สอดคล้องกัน . สำหรับกระบวนการอันไม่สิ้นสุด

กฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์ช่วยให้เราคำนวณค่าสูงสุดได้ งานที่ได้รับที่อุณหภูมิคงที่ การขยายตัวของก๊าซในอุดมคติ ไอโซเทอร์มอลการระเหยของของเหลวคงที่ กดดันให้สถาปนากฎอะเดียแบติก การขยายตัวของก๊าซ ฯลฯ กฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์เป็นพื้นฐานของอุณหพลศาสตร์ซึ่งพิจารณาระบบที่ความร้อนถูกดูดซับหรือปล่อยออกมาอันเป็นผลมาจากปฏิกิริยาทางเคมี r-tions การแปลงเฟส หรือการละลาย (เจือจางสารละลาย)

หากระบบแลกเปลี่ยนกับสิ่งแวดล้อมไม่เพียงแต่พลังงานเท่านั้น แต่ยังรวมถึงสสารด้วย (ดูระบบเปิด) การเปลี่ยนแปลงภายใน พลังงานของระบบในระหว่างการเปลี่ยนจากสถานะเริ่มต้นไปเป็นสถานะสุดท้ายยังรวมถึงงาน A และความร้อน Q ที่เรียกว่าอีกด้วย พลังงานมวล Z สารเคมีจะกำหนดปริมาณพลังงานมวลที่น้อยที่สุดในกระบวนการที่มีขนาดเล็กที่สุด ศักยภาพ m k ของแต่ละส่วนประกอบของระบบ: = โดยที่ dN k คือการเปลี่ยนแปลงจำนวนโมลขององค์ประกอบ kth เพียงเล็กน้อยอันเป็นผลจากการแลกเปลี่ยนกับสิ่งแวดล้อมในกรณีกึ่งคงที่ กระบวนการซึ่งระบบในแต่ละช่วงเวลาจะอยู่ในสมดุลกับสิ่งแวดล้อมซึ่งเป็นกฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์ใน

มุมมองทั่วไป มีร่องรอย เสื่อ. การแสดงออก:

ที่ไหน p และ

m k เท่ากับค่าที่สอดคล้องกันสำหรับ

กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์

กฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์คือกฎการอนุรักษ์พลังงาน ซึ่งเป็นหนึ่งในกฎธรรมชาติสากล (รวมถึงกฎการอนุรักษ์โมเมนตัม ประจุ และสมมาตร): พลังงานเป็นสิ่งที่ทำลายไม่ได้และไม่ได้ถูกสร้างขึ้น มันสามารถผ่านจากรูปแบบหนึ่งไปยังอีกรูปแบบหนึ่งในสัดส่วนที่เท่ากันเท่านั้นกฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์เป็นสมมุติฐาน - ไม่จำเป็นต้องพิสูจน์อย่างมีเหตุผลหรืออนุมานจากสิ่งอื่นใด

บทบัญญัติทั่วไป

- ความจริงของสมมุติฐานนี้ได้รับการยืนยันจากข้อเท็จจริงที่ว่าไม่มีผลที่ตามมาใด ๆ ที่ขัดแย้งกับประสบการณ์ ต่อไปนี้เป็นสูตรเพิ่มเติมของกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์:

กฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์กำหนดความสัมพันธ์ระหว่างความร้อน Q งาน A และการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในของระบบ ∆U:

การเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในของระบบจะเท่ากับปริมาณความร้อนที่ส่งให้กับระบบ ลบด้วยปริมาณงานที่ระบบทำต่อแรงภายนอก

∆U = ถาม-ตอบ (1.1)

dU = δQ-δA (1.2)

สมการ (1.1) เป็นการนำเสนอทางคณิตศาสตร์ของกฎข้อที่ 1 ของอุณหพลศาสตร์สำหรับสถานะจำกัด สมการ (1.2) สำหรับการเปลี่ยนแปลงสถานะของระบบเพียงเล็กน้อย

พลังงานภายในเป็นหน้าที่ของรัฐ นี่หมายความว่าการเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายใน ∆U ไม่ได้ขึ้นอยู่กับเส้นทางการเปลี่ยนแปลงของระบบจากสถานะ 1 เป็นสถานะ 2 และเท่ากับความแตกต่างระหว่างค่าของพลังงานภายใน U 2 และ U 1 ในสถานะเหล่านี้:

∆U = คุณ 2 -U 1 (1.3)

ควรสังเกตว่าเป็นไปไม่ได้ที่จะกำหนดค่าสัมบูรณ์ของพลังงานภายในของระบบ อุณหพลศาสตร์สนใจเฉพาะการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในระหว่างกระบวนการเท่านั้น

ลองพิจารณาการประยุกต์ใช้กฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์เพื่อกำหนดงานที่ทำโดยระบบในระหว่างกระบวนการทางอุณหพลศาสตร์ต่างๆ (เราจะพิจารณากรณีที่ง่ายที่สุด - งานการขยายตัวของก๊าซในอุดมคติ)

กระบวนการไอโซคอริก (V = const; ∆V = 0)

เนื่องจากงานการขยายตัวเท่ากับผลคูณของความดันและการเปลี่ยนแปลงปริมาตร สำหรับกระบวนการไอโซคอริกที่เราได้รับ:

กระบวนการไอโซเทอร์มอล (T = const)

จากสมการสถานะหนึ่งโมลของก๊าซในอุดมคติที่เราได้รับ:

δA = PdV = RT(I.7)

เราได้รับการรวมนิพจน์ (I.6) จาก V 1 ถึง V 2

A=RT=RTln=RTln (1.8)

กระบวนการไอโซบาริก (P = const)

คิว พี = ∆U + P∆V (1.12)

ในสมการ (1.12) เราจัดกลุ่มตัวแปรที่มีดัชนีเดียวกัน เราได้รับ:

Q พี = U 2 -U 1 +P(V 2 -V 1) = (U 2 + PV 2)-(U 1 +PV 1) (1.13)

ให้เราแนะนำฟังก์ชันใหม่ของสถานะของระบบ - เอนทาลปี H ซึ่งเท่ากับผลรวมของพลังงานภายในและผลิตภัณฑ์ของความดันและปริมาตร: H = U + PV จากนั้นนิพจน์ (1.13) จะถูกแปลงเป็นรูปแบบต่อไปนี้:

คิวพี= ชม 2 -H 1 =∆ชม(1.14)

ดังนั้นผลกระทบทางความร้อนของกระบวนการไอโซบาริกจึงเท่ากับการเปลี่ยนแปลงเอนทาลปีของระบบ

กระบวนการอะเดียแบติก (Q= 0, δQ= 0).

ในกระบวนการอะเดียแบติก งานการขยายตัวจะดำเนินการเนื่องจากพลังงานภายในของก๊าซลดลง:

A = -dU=C กับ dT (1.15)

ถ้า Cv ไม่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ (ซึ่งเป็นจริงสำหรับก๊าซจริงหลายชนิด) งานที่ทำโดยก๊าซระหว่างการขยายตัวแบบอะเดียแบติกจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความแตกต่างของอุณหภูมิ:

A = -CV ∆T (1.16)

ภารกิจที่ 1ค้นหาการเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายในระหว่างการระเหยของเอทานอล 20 กรัมที่จุดเดือด ความร้อนจำเพาะการกลายเป็นไอของเอทิลแอลกอฮอล์ที่อุณหภูมินี้คือ 858.95 J/g ปริมาตรจำเพาะของไอน้ำคือ 607 cm 3 /g (ละเลยปริมาตรของของเหลว)

สารละลาย:

1. คำนวณความร้อนของการระเหยของเอทานอล 20 กรัม: Q=q ชนะ m=858.95J/g20g = 17179J

2. ลองคำนวณงานที่ทำเพื่อเปลี่ยนปริมาตรของแอลกอฮอล์ 20 กรัมระหว่างการเปลี่ยนจากของเหลวเป็นสถานะไอ: A= P∆V,

โดยที่ P คือความดันไอของแอลกอฮอล์เท่ากับบรรยากาศ 1,01325 Pa (เนื่องจากของเหลวใด ๆ เดือดเมื่อความดันไอเท่ากับบรรยากาศ)

∆V=V 2 -V 1 =V f -V pเพราะว่า วี<< V п, то объмом жидкости можно пренебречь и тогда V п =V уд ·m. Cледовательно, А=Р·V уд ·m. А=-101325Па·607·10 -6 м 3 /г·20г=-1230 Дж

3. คำนวณการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายใน:

∆U=17179 เจ – 1230 เจ = 15949 เจ

เนื่องจาก ∆U>0 ดังนั้น เมื่อเอธานอลระเหย พลังงานภายในของแอลกอฮอล์จะเพิ่มขึ้น

กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ - แนวคิดและประเภท การจำแนกประเภทและคุณลักษณะของหมวดหมู่ "กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์" 2017, 2018

- กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ พลังงานภายในความอบอุ่น งานแก๊สระหว่างการขยาย

คุณสมบัติของร่างกายระหว่างปฏิกิริยาทางกลและทางความร้อนสามารถอธิบายได้ค่อนข้างดีบนพื้นฐานของโมเลกุล - ทฤษฎีจลน์ศาสตร์- ตามทฤษฎีนี้ ร่างกายทั้งหมดประกอบด้วยอนุภาคเล็กๆ เช่น อะตอม โมเลกุล หรือไอออนที่พบใน... .

- กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์

พลังงานภายในสามารถเปลี่ยนแปลงได้ส่วนใหญ่เนื่องมาจากสองกระบวนการ: เนื่องจากงานที่ทำบนระบบ และเนื่องจากการให้ความร้อนจำนวนหนึ่งแก่ระบบ

ตัวอย่างเช่น งานเปลี่ยนไปเมื่อลูกสูบเคลื่อนที่ เมื่อแรงภายนอกทำงานกับแก๊ส...

- กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์, ไอโซโพรเซสทางอุณหพลศาสตร์

- กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์

- (2) ในที่นี้เราหมายถึงงานที่ร่างกายทำ การเปลี่ยนแปลงปริมาณความร้อนเพียงเล็กน้อยก็ไม่ใช่การเปลี่ยนแปลงที่สมบูรณ์เสมอไป ตามคำนิยาม พลังงานภายในเป็นฟังก์ชันที่ชัดเจนของสถานะของระบบเทอร์โมไดนามิกส์...

- การบรรยายครั้งที่ 3 กฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์และสมบัติทางความร้อนของร่างกาย

กระบวนการทางความร้อนสามารถแบ่งได้เป็นสองประเภทหลัก - เสมือนคงที่ (เสมือนสมดุล) และไร้สมดุล

กระบวนการกึ่งคงที่ประกอบด้วยสภาวะสมดุลที่ต่อเนื่องกันอย่างต่อเนื่อง เพื่ออธิบายกระบวนการดังกล่าว คุณสามารถใช้... . - พลังงานภายใน กฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์หัวข้อที่ 1 พื้นฐานของฟิสิกส์โมเลกุลและอุณหพลศาสตร์

- พลังงานภายใน กฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์

กระบวนการสมดุลในก๊าซอุดมคติ