logo

Pierwsza zasada termodynamiki

Brzmienie pierwszej zasady termodynamiki jest następujące:

Zmiana energii wewnętrznej układu ΔU termodynamicznego jest równa zmianie ilości ciepła Q pobranego lub oddanego przez układ i pracy W wykonanej nad układem przez siły zewnętrzne lub pracy wykonanej przez układ nad otoczeniem.

Wzór na pierwszą zasadę termodynamiki można więc zapisać:

ΔU=Q+W

gdzie:

  • ΔU=Ustan końcowy - Ustan początkowy - zmiana energii wewnętrznej.
  • Q - ilość ciepła pobranego lub oddanego przez układ.
  • W - praca sił zewnętrznych wykonana przez siły zewnętrzne nad układem lub praca wykonana przez układ nad otoczeniem.

Uwaga na znaki Q i W

Stosując wzór na pierwszą zasadę termodynamiki w zadaniach lub innych rozważaniach należy pamiętać o odpowiednich znakach dla wartości Q i W.

  • jeżeli ciało pobiera ciepło z otoczenia, to Q ma znak dodatni (Q>0).
  • jeżeli ciało oddaje ciepło do otoczenia, to Q ma znak ujemny (Q<0).
  • jeżeli to siły zewnętrzne wykonują pracę nad układem, to W ma znak dodatni (W>0).
  • jeżeli to układ wykonuje pracę nad otoczeniem, to wówczas W ma znak ujemny (W<0).

I zasada termodynamiki - sformułowanie równoważne

Oto równoważne sformułowanie pierwszej zasady termodynamiki:

Nie istnieje perpetuum mobile pierwszego rodzaju.

Co to jest perpetuum mobile I rodzaju? Napiszemy o tym w osobnym artykule, natomiast tu zasygnalizujemy jedynie, że jest to maszyna (silnik), który wykonuje pracę przez nieskończenie długi czas bez pobierania energii z zewnątrz.

 

Poziom zaawansowany

W zapisie różniczkowym 1 zasada termodynamiki wygląda następująco:

dU=dQ+dW

Przykład 1

Gdy prasujemy koszulkę za pomocą żelazka, energia wewnętrzna koszulki rośnie w wyniku ciepła Q dostarczanego materiałowi i w wyniku tarcia poprzez pocieranie. Zarówno Q jak i W mają dodatnią wartość (Q>0 i W>0), zatem ΔU=Q+W>0. Jeżeli znamy wartości Q i W, można je podstawić do wzoru i wyliczyć przyrost energii wewnętrznej.

Przykład 2

Gdy włożymy szklankę wody do lodówki na pewien czas, to ciepło z układu szklanka-woda zostaje oddane do otoczenia lodówki, a więc Q<0. W tym przypadku żadna praca nie jest wykonywania, więc W=0. Mamy więc ΔU=Q+0<0.

Przykład 3

Gdy postawimy garnuszek wody na kuchence gazowej na pewien czas, to ciepło z płomienia zostaje przekazywane do układu garnuszek-woda, a więc Q>0. W tym przypadku żadna praca nie jest wykonywania, więc W=0. Mamy więc ΔU=Q+0>0.

Przykład 4

Przy pocieraniu rąk o siebie zwiększamy ich energię wewnętrzną. Wykonujemy tu dodatnią pracę W (W>0) i nie mamy w ogóle do czynienia z dostarczaniem ciepła do układu dwóch rąk z zewnatrz (Q=0). Więc ΔU=W+0=W>0.

Praca objętościowa

Często posługujemy się pojęciem pracy objętościowej lub pracą sił ciśnienia dla gazów zamkniętym w tłoku. Pojęcie te stosuje się przy omawianiu procesów termodynamicznych.

praca objętościowa

Jeżeli mamy gaz zamknięty w szczelnym tłoku, to praca wykonana przez siłę zewnętrzną F przy niewielkim przesunięciu tłoka o Δx tak, aby ciśnienie p w jego wnętrzu pozostawało stałe, wyliczymy ze wzoru:

W=-FΔx=-pSΔx=-pΔV

W powyższym wyprowadzeniu skorzystano ze wzoru na ciśnienie p=F/S, czyli F=pS oraz z definicji objętości walca lub prostopadłościanu, jakim może być cylinder (pole podstawy S pomnożone przez wysokość Δx).

Znak minus oznacza tyle, że gdy siły zewnętrzne wykonują pracę nad gazem przez tłok (sprężanie gazu), to objętość gazu maleje.

Ciekawostki

Pierwsza zasada termodynamiki wyraża zasadę zachowania energii dla wszystkich procesów termodynamicznych. Co ciekawe, to właśnie pierwsza zasada termodynamiki doprowadziła naukowców do odkrycia zasady zachowania energii, a nie odwrotnie.

Pytania

Pytania

Jak można dostarczyć ciepło do układu?

Ciepło może być wymieniane z układem na kilka sposobów, na przykład poprzez:

  • zetknięcie z innym ciałem,
  • promieniowanie cieplne.



© medianauka.pl, 2021-04-12, ART-4018

 

Druga zasada termodynamiki

Druga zasada termodynamiki

Istnieje wiele sformułowań drugiej zasady termodynamiki. Oto sformułowanie z wykorzystaniem pojęcia entropii: Entropia układu izolowanego nie może maleć.

Trzecia zasada termodynamiki

Trzecia zasada termodynamiki

Entropia układu S w stanie równowagi zupełnej dąży do zera, przy zbliżaniu się do temperatury zera bezwzględnego.

Perpetuum mobile

Perpetuum mobile

Perpetuum mobile jest to maszyna (silnik), który wykonuje pracę przez nieskończenie długi czas bez pobierania energii z zewnątrz.

Ciepło

Ciepło

Ciepło Q jest to sposób przekazywania energii do układu termodynamicznego, w wyniku czego zmienia się jego energia wewnętrzna i zmiana ta nie jest wywołana przez pracę sił zewnętrznych.

Energia wewnętrzna

Energia wewnętrzna

Energia wewnętrzna U jest to suma wszystkich energii kinetycznych ruchu cieplnego cząstek oraz energii potencjalnych wzajemnego oddziaływania tych cząstek na siebie jak i ich oddziaływania wewnątrzcząsteczkowego.

Zerowa zasada termodynamiki

Zerowa zasada termodynamiki

Jeżeli ciało A znajduje się w stanie równowagi termodynamicznej z ciałem B, a ciało B znajduje się w stanie równowagi termodynamicznej z ciałem C, to ciała A i C znajdują się również w stanie równowagi termodynamicznej.








Polecamy w naszym sklepie

wahadło Newtona
Historia fizyki
Odyseja laserowa
FUNDAMENTALNIE. TAK FIZYKA KWANTOWA I FIZYKA FIZYKA CZĄSTEK ELEMENTARNYCH WYJAŚNIA WSZYSTKO (OPRÓCZ GRAWITACJI)
Mapa świata Puzzle
Niektóre treści nie są dostosowane do Twojego profilu. Jeżeli jesteś pełnoletni możesz wyrazić zgodę na przetwarzanie swoich danych osobowych. W ten sposób będziesz miał także wpływ na rozwój naszego serwisu.
© ® Media Nauka 2008-2021 r.