Ang unang gawain ay nagsimula sa thermodynamics. Ang unang batas ng thermodynamics. Panloob na enerhiya, init. Trabaho ng gas sa panahon ng paglawak. Koneksyon ng enerhiya ng Gibbs na may libreng enerhiya
Ang isang simpleng pagbabalangkas ng unang batas ng thermodynamics ay maaaring tunog tulad nito: ang isang pagbabago sa panloob na enerhiya ng isang partikular na sistema ay posible lamang sa ilalim ng panlabas na impluwensya. Iyon ay, sa madaling salita, para sa anumang mga pagbabago na maganap sa system, kinakailangan na gumawa ng ilang mga pagsisikap mula sa labas. Sa karunungan ng katutubong, ang mga salawikain ay maaaring magsilbing isang uri ng pagpapahayag ng unang batas ng thermodynamics - "ang tubig ay hindi dumadaloy sa ilalim ng isang nakahiga na bato", "hindi mo madaling mahugot ang isang isda sa isang lawa" at iba pa. Iyon ay, gamit ang halimbawa ng salawikain tungkol sa mga isda at paggawa, maiisip ng isang tao na ang isda ay ang aming kondisyon na sarado na system, walang mga pagbabago na magaganap dito (ang isda ay hindi huhugot mula sa lawa) nang wala ang ating panlabas na impluwensya at pakikilahok (paggawa).
Ang isang kagiliw-giliw na katotohanan: ito ang unang batas ng thermodynamics na nagtatakda kung bakit lahat ng maraming mga pagtatangka ng mga siyentista, mananaliksik, imbentor upang lumikha ng isang "panghabang-buhay na makina ng paggalaw" ay nabigo, sapagkat ang pagkakaroon nito ay ganap na imposible alinsunod sa batas na ito, bakit, tingnan ang talata sa itaas.
Sa simula ng aming artikulo mayroong pinakasimpleng posibleng kahulugan ng unang batas ng thermodynamics, sa katunayan, sa pang-agham na pang-akademiko mayroong kasing dami ng apat na pagbabalangkas ng kakanyahan ng batas na ito:
- Ang enerhiya ay hindi lilitaw mula sa kahit saan at hindi mawala kahit saan, dumadaan lamang ito mula sa isang uri patungo sa isa pa (ang batas ng pag-iingat ng enerhiya).
- Ang halaga ng init na natanggap ng system ay napupunta upang maisagawa ang gawain nito laban sa panlabas na pwersa at baguhin ang panloob na enerhiya.
- Ang pagbabago sa panloob na enerhiya ng system sa panahon ng paglipat nito mula sa isang estado patungo sa isa pa ay katumbas ng kabuuan ng gawain ng mga panlabas na puwersa at ang dami ng init na inilipat sa system, at hindi nakasalalay sa paraan ng pagsasagawa ng paglipat na ito.
- Ang pagbabago sa panloob na enerhiya ng isang hindi nakahiwalay na thermodynamic system ay katumbas ng pagkakaiba sa pagitan ng dami ng init na inilipat sa system at ng gawaing ginawa ng system sa mga panlabas na puwersa.
Formula ng unang batas ng thermodynamics
Ang formula para sa unang batas ng thermodynamics ay maaaring isulat tulad ng sumusunod:
Ang dami ng init Q na inilipat sa system ay katumbas ng kabuuan ng mga pagbabago sa panloob na enerhiya na ΔU at trabaho A.
Mga proseso ng unang batas ng thermodynamics
Gayundin, ang unang batas ng thermodynamics ay may sariling mga nuances, depende sa nagpapatuloy na mga proseso ng thermodynamic, na maaaring isochronous at isobaric, at sa ibaba ay ilalarawan namin nang detalyado ang bawat isa sa kanila.
Ang unang batas ng thermodynamics para sa proseso ng isochoric
Ang isang proseso ng isochoric sa thermodynamics ay isang proseso na nangyayari sa isang pare-parehong dami. Iyon ay, kung ang isang sangkap sa isang daluyan ay pinainit, maging sa isang gas o likido, isang proseso ng isochoric ang magaganap, dahil ang dami ng sangkap ay mananatiling hindi nagbabago. Ang kondisyong ito ay nakakaapekto rin sa unang batas ng thermodynamics, na nangyayari sa proseso ng isochoric.
Sa isang proseso ng isochoric, ang dami ng V ay isang pare-pareho, samakatuwid, ang gas ay hindi gumagana A \u003d 0
Mula rito nagmumula ang sumusunod na pormula:
Q \u003d ΔU \u003d U (T2) - U (T1).
Narito ang U (T1) at U (T2) ang mga panloob na enerhiya ng gas sa pauna at panghuling estado. Ang panloob na enerhiya ng isang perpektong gas ay nakasalalay lamang sa temperatura (batas ni Joule). Sa isochoric heating, ang init ay hinihigop ng gas (Q\u003e 0), at tumataas ang panloob na enerhiya. Kapag pinalamig, ang init ay inililipat sa mga panlabas na katawan (Q< 0).
Ang unang batas ng thermodynamics para sa isang proseso ng isobaric
Katulad nito, ang proseso ng isobaric ay isang proseso na thermodynamic na nangyayari sa isang system sa isang pare-pareho at dami ng gas. Samakatuwid, sa proseso ng isobaric (p \u003d const), ang gawaing ginawa ng gas ay ipinahiwatig ng sumusunod na equation ng unang batas ng thermodynamics:
A \u003d p (V2 - V1) \u003d p ΔV.
Ang unang batas ng isobaric ng thermodynamics ay nagbibigay:
Q \u003d U (T2) - U (T1) + p (V2 - V1) \u003d ΔU + p ΔV. Sa paglawak ng isobaric Q\u003e 0, ang init ay hinihigop ng gas, at ang gas ay gumagana nang positibo. Sa isobaric compression Q< 0 – тепло отдается внешним телам. В этом случае A < 0. Температура газа при изобарном сжатии уменьшается, T2 < T1; внутренняя энергия убывает, ΔU < 0.
Paglalapat ng unang batas ng thermodynamics
Ang unang batas ng thermodynamics ay may praktikal na aplikasyon sa iba't ibang mga proseso sa pisika, halimbawa, pinapayagan kang kalkulahin ang mga perpektong parameter ng isang gas sa iba't ibang mga proseso ng thermal at mekanikal. Bilang karagdagan sa isang pulos praktikal na aplikasyon, ang batas na ito ay maaaring mailapat at pilosopiko, dahil anuman ang sasabihin mo, ngunit ang unang batas ng thermodynamics ay isang pagpapahayag ng isa sa mga pinaka-pangkalahatang batas ng kalikasan - ang batas ng pag-iingat ng enerhiya. Kahit na ang Propesor ay nagsulat na walang lilitaw mula sa kahit saan at hindi umalis kahit saan, ang lahat ay mananatiling walang hanggan, patuloy na nagbabago, ito ang buong kakanyahan ng unang batas ng thermodynamics.
Ang unang batas ng thermodynamics, video
At sa pagtatapos ng aming artikulo, sa iyong pansin ang isang pang-edukasyon na video tungkol sa unang batas ng thermodynamics at panloob na enerhiya.
(pati na rin ang lakas).
Ang unang batas ng thermodynamics ay binubuo ng siyentipikong Aleman na si J. L. Maner noong 1842 at eksperimentong kinumpirma ng siyentipikong Ingles na si J. Joule noong 1843.
Ito ay formulated tulad ng sumusunod:
Ang pagbabago sa panloob na enerhiya ng system sa panahon ng paglipat nito mula sa isang estado patungo sa isa pa ay katumbas ng kabuuan ng gawain ng mga panlabas na puwersa at ang dami ng init na inilipat sa system:
ΔU = A + Q,
kung saan ΔU - pagbabago sa panloob na enerhiya, A - ang gawain ng panlabas na pwersa, Q - ang dami ng init na inilipat sa system.
Mula sa ( ΔU = A + Q) sumusunod batas sa pag-iingat ng panloob na enerhiya ... Kung ang sistema ay ihiwalay mula sa panlabas na impluwensya, kung gayon A = 0 at Q = 0 at samakatuwid ΔU = 0 .
Para sa anumang proseso na nagaganap sa isang nakahiwalay na sistema, ang panloob na enerhiya ay mananatiling pare-pareho.
Kung ang trabaho ay ginagawa ng system, at hindi ng panlabas na pwersa, pagkatapos ang equation ( ΔU \u003d A + Q) ay nakasulat bilang:
kung saan Isang " - ang gawaing ginawa ng system ( Isang "\u003d -A).
Ang dami ng init na inilipat sa system ay ginagamit upang mabago ang panloob na enerhiya at para gumana ang system sa mga panlabas na katawan.
Ang unang batas ng thermodynamics ay maaaring mabuo bilang imposibilidad ng pagkakaroon ng isang panghabang-buhay na makina ng paggalaw ng unang uri, na gagana nang hindi kumukuha ng enerhiya mula sa anumang mapagkukunan (ibig sabihin, dahil lamang sa panloob na enerhiya).
Sa katunayan, kung ang init ay hindi ibinibigay sa katawan ( Q - 0 ), pagkatapos ay magtrabaho Isang ", ayon sa equation, nangyayari lamang dahil sa pagbawas ng panloob na enerhiya Isang "\u003d -ΔU... Matapos maubos ang supply ng enerhiya, huminto sa paggana ang engine.
Dapat tandaan na ang parehong trabaho at ang dami ng init ay katangian ng proseso ng pagbabago ng panloob na enerhiya, samakatuwid ay hindi masasabi na ang system ay naglalaman ng isang tiyak na halaga ng init o trabaho. Ang sistema sa anumang estado ay may isang tiyak na panloob na enerhiya lamang.
Paglalapat ng unang batas ng thermodynamics sa iba't ibang mga proseso.
Isaalang-alang aplikasyon ng unang batas ng thermodynamics sa iba`t ibang mga proseso ng thermodynamic.
Proseso ng Isochoric.
Pag-asa p (T) nagpapakita ang thermodynamic diagram isochoroy.
Proseso ng Isochoric (isochoric) - isang proseso na thermodynamic na nangyayari sa isang system sa isang pare-parehong dami.
Ang proseso ng isochoric ay maaaring isagawa sa mga gas at likido na nakapaloob sa isang sisidlan na may pare-parehong dami.
Sa proseso ng isochoric, ang dami ng gas ay hindi nagbabago ( ΔV \u003d 0), at, alinsunod sa unang batas ng thermodynamics,
ΔU = Q,
iyon ay, ang pagbabago sa panloob na enerhiya ay katumbas ng halaga ng inilipat na init, dahil ang trabaho ( A \u003d pΔV=0 ) ay hindi isinasagawa ng gas.
Kung umiinit ang gas, kung gayon Q\u003e 0 at ΔU\u003e 0, tumataas ang kanyang panloob na enerhiya. Kapag nagpapalamig ng gas Q< 0 at ΔU< 0 , ang panloob na enerhiya ay bumababa.
Proseso ng Isothermal.
Ang proseso ng isothermal ay ipinakita nang grapiko isotherm.
Proseso ng Isothermal Ay isang proseso na thermodynamic na nagaganap sa isang system sa isang pare-pareho na temperatura.
Dahil ang panloob na enerhiya ng gas ay hindi nagbabago sa panahon ng isang proseso ng isothermal, tingnan ang pormula 
, (T \u003d const), pagkatapos ang lahat ng dami ng init na inilipat sa gas ay papunta sa trabaho:
Kapag ang gas ay tumatanggap ng init ( Q > 0 ) positibo ang ginagawa niya ( Isang "\u003e 0). Kung ang gas ay nagbibigay ng init sa kapaligiran Q < 0 at Isang "< 0 ... Sa kasong ito, ang trabaho ay ginagawa sa gas ng mga panlabas na puwersa. Para sa panlabas na pwersa, positibo ang trabaho. Sa geometriko, ang pagtatrabaho sa isang proseso ng isothermal ay natutukoy ng lugar sa ilalim ng curve p (V).
Isobaric na proseso.
Ang proseso ng isobaric sa diagram na thermodynamic ay inilalarawan isobaric.
Isobaric (isobaric) na proseso- proseso ng thermodynamic sa isang pare-pareho na sistema ng presyon r.
Ang isang halimbawa ng isang proseso ng isobaric ay ang pagpapalawak ng gas sa isang silindro na may isang libreng-running, load na piston.
Sa proseso ng isobaric, ayon sa pormula, ang dami ng init na inilipat sa gas ay napupunta upang mabago ang panloob na enerhiya ΔUat upang gumana ang mga ito Isang " sa patuloy na presyon:
Q \u003d ΔU + A ".
Ang ideal na pagpapatakbo ng gas ay natutukoy ng graph ng pagtitiwala p (V) para sa proseso ng isobaric ( Isang "\u003d pΔV).
Para sa isang perpektong gas sa isang proseso ng isobaric, ang dami ay proporsyonal sa temperatura; sa totoong mga gas, ang bahagi ng init ay ginugol sa pagbabago ng average na enerhiya ng pakikipag-ugnayan ng mga particle.
Proseso ng Adiabatic.
Proseso ng Adiabatic (proseso ng adiabatic) Ay isang proseso na thermodynamic na nangyayari sa isang system na walang palitan ng init sa kapaligiran ( Q= 0) .
Ang paghihiwalay ng adiabatic ng system ay tinatayang nakamit sa mga Dewar vessel, sa tinaguriang mga shell ng adiabatic. Ang isang sistemang nakahiwalay sa adiabatically ay hindi apektado ng isang pagbabago sa temperatura ng mga nakapaligid na katawan. Ang kanyang lakas sa loob U ay maaaring magbago lamang dahil sa gawaing ginawa ng mga panlabas na katawan sa system, o ng system mismo.
Ayon sa unang batas ng thermodynamics ( ΔU \u003d A + Q), sa sistemang adiabatic
ΔU \u003d A,
kung saan A - ang gawain ng panlabas na pwersa.
Sa paglawak ng adiabatic gas AT< 0 ... Samakatuwid,
,
na nangangahulugang isang pagbawas ng temperatura sa panahon ng paglawak ng adiabatic. Ito ay humahantong sa ang katunayan na ang presyon ng gas ay bumababa nang mas matalim kaysa sa proseso ng isothermal. Sa pigura sa ibaba, ang adiabat 1-2, na dumadaan sa pagitan ng dalawang isotherms, ay malinaw na naglalarawan kung ano ang sinabi. Ang lugar sa ilalim ng adiabat ay ayon sa bilang na katumbas ng gawaing ginawa ng gas sa panahon ng paglawak ng adiabatic mula sa dami V 1 , dati V 2.
Adiabatic compression humahantong sa isang pagtaas sa temperatura ng gas, dahil bilang isang resulta ng nababanat na mga banggaan ng mga molekulang gas na may piston, ang kanilang average na lakas na gumagalaw ay tumataas, taliwas sa pagpapalawak, kapag bumababa ito (sa unang kaso, tumataas ang mga bilis ng mga molekula ng gas, sa pangalawa, bumababa sila).
Ang matalim na pag-init ng hangin sa panahon ng adiabatic compression ay ginagamit sa mga Diesel engine.
Equation ng balanse ng init.
Sa isang sarado (ihiwalay mula sa mga panlabas na katawan) thermodynamic system, ang pagbabago sa panloob na enerhiya ng anumang katawan ng system ΔU 1 hindi maaaring humantong sa isang pagbabago sa panloob na enerhiya ng buong system. Samakatuwid,
Kung ang trabaho ay hindi ginaganap ng anumang mga katawan sa loob ng system, kung gayon, alinsunod sa unang batas ng thermodynamics, ang isang pagbabago sa panloob na enerhiya ng anumang katawan ay nagaganap lamang dahil sa pagpapalitan ng init sa iba pang mga katawan ng sistemang ito: ΔU ako \u003d Q i... Dahil, nakukuha natin:
Ang equation na ito ay tinawag equation ng balanse ng init... Dito Q i - ang dami ng natanggap o naibigay na init akoika na katawan. Anumang sa mga halaga ng init Q i maaaring mangahulugan ng init na inilabas o hinihigop sa panahon ng pagkatunaw ng isang katawan, pagkasunog ng gasolina, pagsingaw o paghalay ng singaw, kung ang mga naturang proseso ay nangyayari sa iba`t ibang mga katawan ng system, at matutukoy ng mga kaukulang ratios.
Ang equation equation ng balanse ay isang pagpapahayag ng matematika ang batas ng pag-iingat ng enerhiya habang nagpapalitan ng init.
Ang proseso ng thermodynamic ay tinatawag nababaligtad, kung maaari itong maganap kapwa sa pasulong at sa kabaligtaran na direksyon, at kung ang naturang proseso ay nangyayari muna sa pasulong na direksyon at pagkatapos ay sa kabaligtaran na direksyon at ang system ay bumalik sa orihinal nitong estado, kung gayon walang mga pagbabago na nagaganap sa kapaligiran at sa sistemang ito.
Anumang proseso na hindi nasiyahan ang mga kundisyong ito ay hindi maibabalik.
Ang anumang proseso ng balanse ay nababaligtad. Ang kakayahang balikan ng proseso ng balanse na nagaganap sa system ay sumusunod mula sa ang katunayan na ang anumang intermediate na estado nito ay isang estado ng thermodynamic equilibrium; hindi alintana kung ang proseso ay nagpapatuloy o paatras. Ang mga totoong proseso ay sinamahan ng pagwawaldas ng enerhiya (dahil sa alitan, thermal conductivity, atbp.), Na hindi namin isinasaalang-alang. Ang maibabalik na proseso ay mga ideyalisasyon ng totoong mga proseso.Ang kanilang pagsasaalang-alang ay mahalaga para sa ika-2 mga kadahilanan: 1) maraming mga proseso sa kalikasan at teknolohiya ay praktikal na nababago; 2) ang maibabalik na proseso ay ang pinaka-matipid; magkaroon ng isang maximum na kahusayan ng thermal, na nagbibigay-daan sa iyo upang ipahiwatig ang mga paraan upang madagdagan ang kahusayan ng mga tunay na engine ng init.
Gumagana ang gas kapag nagbago ang dami nito.
Ginagawa lamang ang trabaho kapag nagbago ang dami.
Alamin natin sa pangkalahatang mga tuntunin ang gawaing panlabas na ginawa ng gas kapag nagbago ang dami nito. Isaalang-alang, halimbawa, ang isang gas sa ilalim ng piston sa isang cylindrical vessel. Kung ang gas, lumalawak, ilipat ang piston sa isang walang katapusang maliit na distansya dl, pagkatapos ito ay gumagana dito
A \u003d Fdl \u003d pSdl \u003d pdV, kung saan ang S ay ang lugar ng piston, Sdl \u003d dV ang pagbabago sa dami ng system. Kaya, A \u003d pdV. (1)
Ang kabuuang gawaing A na isinagawa ng gas kapag ang dami nito ay nagbago mula V1 hanggang V2 ay matatagpuan sa pamamagitan ng pagsasama ng pormula (1): A \u003d pdV (mula sa V1 hanggang V2). (2)
Ang resulta ng pagsasama ay natutukoy ng likas na katangian ng ugnayan sa pagitan ng presyon at dami ng gas. Ang expression (2) na natagpuan para sa trabaho ay may bisa para sa anumang mga pagbabago sa dami ng solid, likido at gas na mga katawan.
P
Ang kabuuang gawain ng gas ay magiging katumbas ng lugar ng pigura na itinali ng abscissa, ang curve at ang mga halagang V1, V2.
Ang mga proseso lamang ng equilibrium ang maaaring mailarawan nang grapiko - mga proseso na binubuo ng isang pagkakasunud-sunod ng mga estado ng balanse. Nagpapatuloy sila sa isang paraan na ang pagbabago sa mga thermodynamic parameter sa loob ng isang may hangganan na tagal ng oras ay walang hanggan maliit. Ang lahat ng mga totoong proseso ay walangquilibrium (nagpapatuloy sila na may isang walang limitasyong bilis), ngunit sa ilang mga kaso ang kanilang nonequilibrium ay maaaring napabayaan (mas mabagal ang proseso ng proseso, mas malapit ito sa balanse).
Ang unang batas ng thermodynamics.
Mayroong 2 paraan upang makipagpalitan ng enerhiya sa pagitan ng mga katawan:
paglipat ng enerhiya sa pamamagitan ng paglipat ng init (sa pamamagitan ng paglipat ng init);
sa pamamagitan ng paggawa ng trabaho.
Kaya, maaari nating pag-usapan ang tungkol sa 2 anyo ng paglipat ng enerhiya mula sa isang katawan patungo sa isa pa: trabaho at init. Ang lakas ng kilusang mekanikal ay maaaring mapalitan sa enerhiya ng paggalaw ng init, at kabaliktaran. Sa mga pagbabagong ito, sinusunod ang batas ng pangangalaga at pagbabago ng enerhiya; na may kaugnayan sa mga proseso ng thermodynamic, ang batas na ito ay ang unang batas ng thermodynamics:
∆U \u003d Q-A o Q \u003d ∆U + A .(1)
Iyon ay, ang init na ibinibigay sa system ay ginugol sa pagbabago ng panloob na enerhiya at sa pagsasagawa ng trabaho laban sa panlabas na pwersa. Ang ekspresyong ito sa kaugalian na form ay magkakaroon ng form na Q \u003d dU + A (2) , kung saan ang dU ay isang walang katapusang maliit na pagbabago sa panloob na enerhiya ng system, A ay isang gawaing elementarya, ang Q ay isang walang katapusang maliit na halaga ng init.
Mula sa pormula (1) sumusunod na sa SI ang dami ng init ay ipinahiwatig sa parehong mga yunit ng trabaho at enerhiya, ibig sabihin sa joules (J).
Kung pana-panahong bumalik ang system sa orihinal nitong estado, pagkatapos ay ang pagbabago sa panloob na enerhiya na ∆U \u003d 0. Pagkatapos, alinsunod sa unang batas ng thermodynamics, A \u003d Q,
Iyon ay, isang tuluy-tuloy na makina ng paggalaw ng unang uri - isang pana-panahong operating engine na gagawa ng mas maraming trabaho kaysa sa enerhiya na naibibigay dito mula sa labas - ay imposible (isa sa mga pagbabalangkas ng unang batas ng thermodynamics).
Paglalapat ng unang batas ng thermodynamics sa isoprocesses at sa proseso ng adiabatic.
Kabilang sa mga proseso ng balanse na nagaganap na may mga thermodynamic system, ang mga isoprocesses ay nakikilala, kung saan ang isa sa mga pangunahing parameter ng estado ay nananatiling pare-pareho.
Proseso ng Isochoric (V= const)
Sa prosesong ito, ang gas ay hindi gumagana sa mga panlabas na katawan, ibig sabihin, A \u003d pdV \u003d 0.
Pagkatapos, mula sa ika-1 batas ng thermodynamics, sumusunod na ang lahat ng init na inilipat sa katawan ay napupunta upang madagdagan ang panloob na enerhiya: Q \u003d dU. Alam na dU m \u003d C v dT.
Pagkatapos, para sa isang di-makatwirang masa ng gas, nakakakuha kami ng Q \u003d dU \u003d m \\ M * C v dT.
Proseso ng Isobaric (p= const).
Sa prosesong ito, ang gawain ng gas na may pagtaas ng dami mula V1 hanggang V2 ay katumbas ng A \u003d pdV (mula V1 hanggang V2) \u003d p (V2-V1) at natutukoy ng lugar ng figure na nalilimita ng abscissa, ang curve p \u003d f (V) at ang mga halaga ng V1, V2. Kung maaalala natin ang ur-e ng Mendeleev-Clapeyron para sa 2 estado na pinili natin, kung gayon
pV 1 \u003d m \\ M * RT 1, pV 2 \u003d m \\ M * RT 2, saan galing V 1 - V 2 \u003d m \\ M * R \\ p (T 2 - T 1). Pagkatapos ang expression para sa gawain ng pagpapalawak ng isobaric ay kumukuha ng form A \u003d m \\ M * R (T 2 - T 1) (1.1).
Sa isang proseso ng isobaric, kapag ang isang gas ng masa m ay ibinibigay ang dami ng init
Q \u003d m \\ M * C p dT ang panloob na enerhiya na ito ay nagdaragdag ng dU \u003d m \\ M * C v dT. Sa kasong ito, ginaganap ng gas ang gawaing tinutukoy ng pagpapahayag (1.1).
Proseso ng Isothermal (T= const).
Ang prosesong ito ay inilarawan ng batas ng Boyle-Mariotte: pV \u003d const.
Hahanapin natin ang gawain ng pagpapalawak ng isothermal gas: A \u003d pdV (mula V1 hanggang V2) \u003d m / M * RTln (V2 / V1) \u003d m / M * RTln (p1 / p2).
Dahil sa T \u003d const ang panloob na enerhiya ng isang perpektong gas ay hindi nagbabago: dU \u003d m / M * C v dT \u003d 0, pagkatapos ay mula sa ika-1 batas ng thermodynamics (Q \u003d dU + A) sumusunod ito para sa isang isothermal na proseso Q \u003d A, iyon ay, ang buong halaga ng init na ibinibigay sa gas ay ginugol sa paggawa ng trabaho laban sa panlabas na pwersa: Q \u003d A \u003d m / M * RTln (p1 / p2) \u003d m / M * RTln (V2
Dahil dito, upang ang temperatura ay hindi bumaba sa panahon ng paglawak ng gas, kinakailangan upang ibigay ang dami ng init na katumbas ng panlabas na gawain ng pagpapalawak sa gas sa panahon ng proseso ng isothermal.
Para sa mga system sa to-ryh tao, mahalaga ang mga proseso ng pag-init (pagsipsip o paglabas ng init). Ayon sa unang batas ng thermodynamics, thermodynamic. Ang system (halimbawa, singaw sa isang heat engine) ay maaaring gumana lamang sa kapinsalaan ng panloob na ito. lakas o k.-l. ext. pinagmumulan ng enerhiya. Ang unang batas ng thermodynamics ay madalas na binubuo bilang imposibilidad ng pagkakaroon ng isang magpakailanman makina ng paggalaw ng unang uri, na gagana nang hindi kumukuha ng enerhiya mula sa isang tiyak na mapagkukunan.
P ang unang batas ng thermodynamics ay nagpapakilala sa konsepto ng panloob na enerhiya ng system bilang isang pagpapaandar ng estado. Kapag napagsabihan ang system ng isang tiyak na halaga ng heat Q, mayroong pagbabago sa panloob. enerhiya ng system DU at ang system ay gumaganap ng gawa A:
DU \u003d Q + A.
P ang unang batas ng thermodynamics ay nagsasaad na ang bawat estado ng system ay nailalarawan sa pamamagitan ng isang tiyak na halaga ng int. enerhiya U, hindi alintana kung paano ang sistema ay dinala sa estado na ito. Hindi tulad ng mga halagang U, ang mga halaga ng A at Q ay nakasalalay sa proseso na humantong sa isang pagbabago sa estado ng system. Kung ang una at pangwakas na estado ng a at b ay walang katapusan na malapit (ang mga paglilipat sa pagitan ng mga naturang estado ay tinatawag na mga proseso na walang katapusan), ang unang batas ng mga termodinamika ay nakasulat sa form:
Nangangahulugan ito na ang isang walang katapusang pagbabago sa int. Ang enerhiya dU ay ang kabuuang pagkakaiba sa estado ng estado,mga yan integral \u003d U b - U a, habang ang walang hangganang halaga ng init at trabaho ay hindi naiiba. dami, ibig sabihin ang mga integral ng mga infinitesimal na dami na ito ay nakasalalay sa napiling landas ng paglipat sa pagitan ng mga estado a at b (kung minsan ay tinatawag silang hindi kumpletong pagkakaiba-iba).
Mula sa kabuuang bilang ng gawaing isinagawa ng system ng dami ng Y, maaaring makilala ang gawaing nababaligtad na isothermal. pagpapalawak sa ilalim ng pagkilos ng ext. presyon p e, katumbas ng p e V, at lahat ng iba pang mga uri ng trabaho, na ang bawat isa ay maaaring kinatawan ng produkto ng isang tiyak na pangkalahatang puwersa na kumikilos sa sistema mula sa kapaligiran ng pangkalahatang coordinate x i, na nagbabago sa ilalim ng impluwensya ng kaukulang pangkalahatang puwersa. Para sa isang infinitesimal na proseso
P pinapayagan ka ng unang batas ng thermodynamics na kalkulahin ang max. trabaho na nakuha kapag isothermal. pagpapalawak ng ideal gas, isothermal pagsingaw ng likido sa pare-pareho. presyon, maitaguyod ang mga batas ng adiabatic. pagpapalawak ng mga gas, atbp. Ang unang batas ng thermodynamics ay ang batayan ng thermochemistry, isinasaalang-alang ang mga system kung saan ang init ay hinihigop o inilabas bilang isang resulta ng kemikal. mga p-tion, pagbabago ng yugto. o paglusaw (pagbabanto ng mga solusyon).
Kung ang system ay nagpapalitan sa kapaligiran hindi lamang enerhiya, kundi pati na rin in-suka (tingnan. Buksan ang system), baguhin ang int. ang enerhiya ng system sa panahon ng paglipat mula sa paunang estado patungo sa pangwakas na estado ay may kasamang, bilang karagdagan sa trabaho A at init Q, din ang tinatawag na. ang lakas ng masa Z. Ang walang hangganang dami ng lakas ng masa sa proseso na infinitesimal ay natutukoy ng chem. mga potensyal na k k ng bawat isa sa mga bahagi ng system:\u003d, kung saan ang dN k ay ang walang katapusang pagbabago sa bilang ng mga moles ng k-th na bahagi bilang isang resulta ng pagpapalitan sa daluyan.
Sa kaso ng quasi-static. proseso, kapag ang sistema sa bawat sandali ng oras ay nasa balanse ng kapaligiran, ang unang batas ng thermodynamics sa pangkalahatan ay may bakas. banig expression:
saan p at ang m k ay katumbas ng mga katumbas na halaga para sa
ANG UNANG SIMULA NG THERMODYNAMICS AT ANG APLIKASYON NITO
Pangunahing kahulugan
Nalalapat ng mga kemikal na thermodynamics ang mga probisyon at batas ng pangkalahatang thermodynamics sa pag-aaral ng mga phenomena ng kemikal. Upang makuha ang mga batas ng kemikal na thermodynamics, kailangan mong malaman ang una at pangwakas na estado ng system, pati na rin ang panlabas na mga kondisyon kung saan nagaganap ang proseso (temperatura, presyon, atbp.). Hindi pinapayagan ng mga thermodynamics ng kemikal ang paggawa ng anumang mga konklusyon tungkol sa panloob na istraktura ng bagay at ang mekanismo ng mga proseso. Ito ang limitasyon ng pamamaraang thermodynamic.
Sa mga kemikal na thermodynamics, ang parehong mga konsepto, mga termino at dami ay ginagamit tulad ng sa pangkalahatang mga termodinamika.
Ang isang sistema ay isang hiwalay na katawan o isang pangkat ng mga katawan na nakikipag-ugnay at may kondisyon na hiwalay mula sa kapaligiran.
Ang isang nakahiwalay na sistema ay isang sistema na hindi nagpapalitan ng init at gumagana sa kapaligiran, ibig sabihin, ang lakas at dami ng kung saan ay pare-pareho.
Ang estado ng isang sistema ay isang hanay ng mga katangiang pisikal at kemikal na tumutukoy sa sistemang ito.
Ang estado ng isang thermodynamic system ay nailalarawan sa pamamagitan ng mga thermodynamic parameter. Kasama sa mga Thermodynamic parameter ang temperatura, presyon, dami, konsentrasyon, atbp.
Ang anumang pagbabago sa isang system na nauugnay sa isang pagbabago ng hindi bababa sa isa sa mga thermodynamic parameter ay tinatawag na isang thermodynamic na proseso. Kung ang pagbabago sa isang parameter ay nakasalalay lamang sa pauna at pangwakas na mga estado at hindi nakasalalay sa proseso ng landas, kung gayon ang naturang parameter ay tinatawag na isang pagpapaandar ng estado.
Ang isang pabilog na proseso, o isang pag-ikot, ay isang proseso kung saan ang isang thermodynamic system, pagkatapos na umalis sa ilang paunang estado at sumailalim sa isang bilang ng mga pagbabago, ay babalik sa parehong estado; sa prosesong ito, ang pagbabago sa anumang parameter ng estado ay zero. Nakasalalay sa mga kondisyon ng daloy, ang mga proseso ay nakikilala: isobaric, isothermal, adiabatic, isochoric, isobaric-isothermal, atbp.
Panloob na enerhiya, init at trabaho. Ang unang batas ng thermodynamics
Ang paggalaw ay isang likas na pagmamay-ari ng bagay. Ang kilusan ay nagpapakita ng sarili sa iba't ibang mga form, iba-iba ang husay sa bawat isa, ngunit magkakaugnay at nagbabago sa bawat isa. Ang sukat ng paggalaw ay enerhiya. Sa mga kemikal na thermodynamics, ang konsepto ng panloob na enerhiya ay mahalaga.
Ang panloob na enerhiya ng system ay ang kabuuan ng potensyal na enerhiya ng pakikipag-ugnay ng lahat ng mga maliit na butil ng katawan sa bawat isa at ang lakas na paggalaw ng paggalaw, ibig sabihin ang panloob na enerhiya ng system ay binubuo ng enerhiya ng translational at paikot na paggalaw ng mga molekula, ang enerhiya ng intramolecular vibrational na galaw ng mga atomo at mga atomic group na bumubuo sa molekula, ang enerhiya ng pag-ikot ng mga electron sa mga atomo, ang lakas na nilalaman sa mga nukleong ng mga atomo, ang lakas ng intermolecular na pakikipag-ugnay at iba pang mga uri ng enerhiya. Ang panloob na enerhiya ay ang kabuuang enerhiya ng system na minus ang lakas na gumagalaw ng system bilang isang buo at ang potensyal na enerhiya ng posisyon. Ang ganap na halaga ng panloob na enerhiya ng isang katawan ay hindi kilala, ngunit para sa paglalapat ng mga kemikal na thermodynamics sa pag-aaral ng mga phenomena ng kemikal, mahalagang malaman lamang ang pagbabago sa panloob na enerhiya sa panahon ng paglipat ng system mula sa isang estado patungo sa isa pa.
Ang lahat ng mga pagbabago sa panloob na enerhiya sa panahon ng paglipat nito mula sa isang katawan patungo sa isa pa ay maaaring nahahati sa dalawang grupo. Kasama sa unang pangkat ang anyo ng paglipat ng enerhiya dahil sa magulong pagkakabangga ng mga molekula ng dalawang magkakaugnay na katawan. Ang sukat ng enerhiya na inilipat sa ganitong paraan ay init.
Ang pangalawang pangkat ay nagsasama ng maraming anyo ng paglipat ng enerhiya kapag gumagalaw ang masa, na binubuo ng isang malaking bilang ng mga particle, sa ilalim ng pagkilos ng anumang mga puwersa. Kasama rito ang pag-angat ng mga katawan sa isang gravitational field, ang paglipat ng kuryente mula sa isang mas mataas patungo sa isang mas mababang potensyal, ang pagpapalawak ng gas, atbp. Ang pangkalahatang sukat ng enerhiya na inilipat sa ganitong paraan ay ang trabaho.
Sa maraming mga proseso, ang paglipat ng panloob na enerhiya ay maaaring natupad bahagyang sa anyo ng init at bahagyang sa anyo ng trabaho. Kaya, ang init at trabaho ay nagpapakilala sa husay at dami ng dalawang magkakaibang anyo ng paglipat ng enerhiya mula sa isang katawan patungo sa isa pa; sinusukat ang mga ito sa parehong mga yunit ng enerhiya.
Ang trabaho o lakas ng anumang uri ay maaaring isipin bilang produkto ng dalawang mga kadahilanan: ang kadahilanan ng kasidhian at ang pagbabago sa kadahilanan ng kadahilanan, na tinatawag ding extension factor (kung ang kadahilanan ng intensity ay mananatiling pare-pareho sa panahon ng proseso). Kaya, halimbawa, ang ordinaryong gawaing mekanikal ay katumbas ng produkto ng inilapat na puwersa at pagtaas ng daanan. Kung ang dalawang mga sistema ay maaaring makipag-ugnay, pagkatapos ay bumubuo sila ng isang pangkaraniwang sistema, at ang kadahilanan ng kapasidad ng bagong sistema ay katumbas ng kabuuan ng mga kadahilanan ng kapasidad ng mga nasasakupang bahagi nito, sa kondisyon na ang mga kadahilanan ng intensity ng parehong orihinal na mga sistema ay pareho. Kung ang mga kadahilanan ng tindi ng mga paunang sistema ay hindi pareho, pagkatapos ay sa pangkalahatang sistema ay nagsisimula ang isang proseso, na nagpapatuloy patungo sa pagpapantay ng mga kadahilanan ng intensity sa pamamagitan ng pagbabago ng mga kaukulang kadahilanan na kadahilanan. Kaya, halimbawa, ang mga presyon ay napapantay ng pagbabago ng dami. Ang ugnayan sa pagitan ng panloob na enerhiya, trabaho at init ay itinatag batay sa unang batas ng thermodynamics. Ang unang batas ng thermodynamics ay isang postulate na nagmula sa daang siglo na karanasan ng sangkatauhan. Mayroong isang bilang ng mga formulation ng unang batas ng thermodynamics, na katumbas ng bawat isa at sumusunod mula sa bawat isa. Kung ang isa sa kanila ay isinasaalang-alang bilang paunang isa, kung gayon ang iba ay nakuha mula rito bilang mga kahihinatnan.
Ang unang batas ng thermodynamics ay direktang nauugnay sa batas ng pangangalaga ng enerhiya at isinasaad na sa anumang nakahiwalay na sistema, ang supply ng enerhiya ay mananatiling pare-pareho. Samakatuwid sumusunod sa batas ng pagkakapareho ng iba't ibang mga anyo ng enerhiya: iba't ibang mga anyo ng enerhiya na pumasa sa bawat isa sa mahigpit na katumbas na halaga. Ang unang prinsipyo ay maaari ding ipahayag sa form na ito: ang isang panghabang-buhay na makina ng paggalaw ng unang uri ay imposible, iyon ay, imposibleng bumuo ng isang makina na magbibigay ng gawaing mekanikal nang hindi gumagasta ng isang naaangkop na halaga ng molekular na enerhiya dito; o ang panloob na enerhiya ay isang pag-andar ng estado, ibig sabihin, ang pagbabago nito ay hindi nakasalalay sa landas ng proseso, ngunit nakasalalay lamang sa una at huling estado ng system.
Patunayan natin na ang panloob na enerhiya ay isang pagpapaandar ng estado. Ipagpalagay na kapag ang system ay pumasa mula sa unang estado hanggang sa pangalawang isa sa isang landas, ang pagbabago sa panloob na enerhiya ay katumbas ng ΔUa, at sa kabilang kalsada, ΔUb, ibig sabihin Iyon ay, ipagpalagay muna natin na ang pagbabago sa panloob na enerhiya ay nakasalalay sa landas ng proseso. Kung ang mga halaga ng ΔUa at ΔUb ay magkakaiba, kung gayon, ihiwalay ang system at dumaan mula sa estado 7 hanggang sa estado 2 ng isang putch, at pagkatapos ay bumalik mula sa estado 2 hanggang sa estado 1 sa ibang paraan, makakatanggap ang isang makakuha o pagkawala ng enerhiya ΔUb-ΔUa-ngunit sa kondisyong hiwalay ang system, oo. Iyon ay, hindi ito nagpapalitan ng init at gumagana sa kapaligiran at ang supply ng enerhiya, alinsunod sa unang batas ng thermodynamics, dapat na pare-pareho. Kaya, mali ang palagay na ito. Ang pagbabago sa panloob na enerhiya sa panahon ng paglipat ng system mula sa estado 1 hanggang estado 2 ay hindi nakasalalay sa landas ng proseso, ibig sabihin, ang panloob na enerhiya ay isang pagpapaandar ng estado.
Ang pagbabago sa panloob na enerhiya ΔU ng system ay maaaring mangyari dahil sa pagpapalitan ng init Q at pagtrabaho A sa kapaligiran. Sumang-ayon kami na isaalang-alang ang init na natanggap ng system at ang gawaing ginawa ng system bilang positibong halaga. Pagkatapos mula sa unang batas ng thermodynamics sumusunod na ang init Q na natanggap ng system mula sa labas ay ginugol sa pagtaas ng panloob na enerhiya ΔU at ang gawaing A na isinagawa ng system, ibig sabihin
Q \u003d ΔU + A. (II, 1)
Ang Equation (II, 1) ay isang pagbabalangkas ng matematika ng unang batas ng thermodynamics. Ang mga halaga ng ΔU, Q at A sa equation (II, 1) ay maaaring magkaroon ng parehong positibo at negatibong halaga, depende sa likas na katangian ng proseso. Kung, halimbawa, ang lahat ng tatlong dami ay negatibo, kung gayon nangangahulugan ito na ang init na ibinigay ng system sa panlabas na kapaligiran ay katumbas ng pagkawala ng panloob na enerhiya kasama ang gawaing natanggap ng system.
Hindi tulad ng panloob na enerhiya, ang init Q at ang trabaho A ay hindi mga pagpapaandar ng estado, nakasalalay sila sa landas ng proseso. Ang kanilang pagkakaiba
Q- A \u003d ΔU (II, 2)
ay hindi nakasalalay sa proseso ng proseso. Para sa isang walang katapusang pagbabago sa mga dami na ito, mayroon tayo
thermodynamics endothermic na reaksyon
δQ \u003d dU + δA, (II, 3)
kung saan ang dU ay ang kabuuang pagkakaiba ng panloob na enerhiya ng system; δQ - walang katapusan na halaga ng init; Ang δА ay isang walang katapusang maliit na halaga ng trabaho.
Pagpapalawak ng trabaho ng perpektong gas sa iba't ibang mga proseso
Para sa maraming mga system, ang tanging uri ng trabaho ay ang gawaing extension. Ang gawain ng pagpapalawak ng gas ay karaniwang praktikal na kahalagahan, at maraming mga gas sa sapat na mababang presyon at medyo mataas na temperatura na tinatayang sumunod sa mga batas ng mga perpektong gas. Isaalang-alang natin ang mga ugnayan sa matematika para sa pagkalkula ng gawain ng pagpapalawak ng isang perpektong gas sa iba't ibang mga proseso. Kapag lumalawak ang gas, tapos na ang trabaho, na kinakalkula ng equation
o sa integral form
,(11,6)Ang pagsasama ng equation (II, 6) ay posible lamang para sa proseso ng pagpapalawak o pag-ikli ng isang gas sa ilalim ng mga kondisyong malapit sa balanse. Ang gawaing nagawa sa kasong ito ay ang pinakamalaki at tinawag na pinakamataas na gawain.
Upang maisama ang equation (II, 6), kailangan mong malaman ang kaugnayan sa pagitan ng presyon at dami ng gas, ibig sabihin, ang equation ng estado ng gas.
Ang pagtitiwala na ito para sa isang perpektong gas ay inilarawan ng Mendeleev - Clapeyron equation ng estado:
kung saan n ang bilang ng mga moles ng isang perpektong gas; Ang R ay ang unibersal na pare-pareho ng gas na katumbas ng 8.314 J / mol-deg.
Isaalang-alang natin ang mga expression para sa maximum na gawain ng pagpapalawak ng isang perpektong gas sa limang proseso: isobaric, isothermal, adiabatic, isochoric at isobaric-isothermal.
1. Ang proseso ng isobaric ay isinasagawa sa patuloy na presyon (p \u003d const). Sa kasong ito, mula sa equation (II, 6) nakukuha natin