İlk çalışma termodinamikte başladı. Termodinamiğin birinci yasası. İç enerji, sıcaklık. Genleşme sırasında gaz çalışması. Gibbs enerjisinin serbest enerji ile bağlantısı
Termodinamiğin birinci yasasının basit bir formülasyonu şu şekilde gelebilir: belirli bir sistemin iç enerjisindeki bir değişiklik ancak dış etki altında mümkündür. Yani sistemde herhangi bir değişikliğin yaşanabilmesi için dışarıdan bir takım çabalar sarf edilmesi gerekmektedir. Halk bilgeliğinde, atasözleri termodinamiğin birinci yasasının bir tür ifadesi olarak hizmet edebilir - "su yatan bir taşın altından akmaz", "bir balığı havuzdan kolayca çıkaramazsınız" vb. Yani, balık ve emekle ilgili atasözü örneğini kullanarak, balığın şartlı olarak kapalı sistemimiz olduğunu hayal edebilir, dış etkimiz ve katılımımız (emek) olmadan balığın içinde hiçbir değişiklik olmayacak (balık havuzdan kendini çekmeyecektir).
İlginç bir gerçek: Bilim adamlarının, araştırmacıların, mucitlerin bir "sürekli hareket makinesi" icat etmeye yönelik sayısız girişiminin neden başarısız olduğunu ortaya koyan termodinamiğin ilk yasasıdır, çünkü varlığı bu yasaya göre kesinlikle imkansızdır, neden yukarıdaki paragrafa bakın.
Makalemizin başında termodinamiğin birinci yasasının mümkün olan en basit tanımı vardı, aslında akademik bilimde, bu yasanın özünün dört formülasyonu var:
- Enerji herhangi bir yerden ortaya çıkmaz ve hiçbir yerde kaybolmaz, yalnızca bir türden diğerine geçer (enerjinin korunumu yasası).
- Sistemin aldığı ısı miktarı, işini dış kuvvetlere karşı gerçekleştirmeye ve iç enerjiyi değiştirmeye gider.
- Bir durumdan diğerine geçiş sırasında sistemin iç enerjisindeki değişim, dış kuvvetlerin işinin toplamına ve sisteme aktarılan ısı miktarına eşittir ve bu geçişin gerçekleştirilme şekline bağlı değildir.
- İzole edilmemiş bir termodinamik sistemin iç enerjisindeki değişim, sisteme aktarılan ısı miktarı ile sistemin dış kuvvetler üzerinde yaptığı iş arasındaki farka eşittir.
Termodinamiğin birinci yasasının formülü
Termodinamiğin birinci yasasının formülü şu şekilde yazılabilir:
Sisteme aktarılan ısı Q miktarı, iç enerjisi ΔU ve iş A'daki değişikliklerin toplamına eşittir.
Termodinamiğin birinci yasasının süreçleri
Ayrıca, termodinamiğin birinci yasasının, eşzamanlı ve izobarik olabilen devam eden termodinamik süreçlere bağlı olarak kendi nüansları vardır ve aşağıda her biri hakkında ayrıntılı olarak açıklayacağız.
İzokorik süreç için termodinamiğin birinci yasası
Termodinamikte izokorik bir süreç, sabit bir hacimde gerçekleşen bir süreçtir. Yani, bir kaptaki bir madde, ister gaz ister sıvı içinde olsun, ısıtılırsa, maddenin hacmi değişmeden kalacağından izokorik bir işlem meydana gelecektir. Bu durum aynı zamanda izokorik süreçte ortaya çıkan termodinamiğin birinci yasasını da etkiler.
İzokorik bir işlemde, hacim V sabittir, bu nedenle gaz çalışmaz A \u003d 0
Bundan şu formül gelir:
Q \u003d ΔU \u003d U (T2) - U (T1).
Burada U (T1) ve U (T2) gazın başlangıç \u200b\u200bve son hallerindeki iç enerjileridir. İdeal bir gazın iç enerjisi yalnızca sıcaklığa bağlıdır (Joule yasası). İzokorik ısıtma ile ısı gaz tarafından emilir (Q\u003e 0) ve iç enerjisi artar. Soğutulduğunda ısı dış gövdelere aktarılır (Q< 0).
İzobarik bir süreç için termodinamiğin birinci yasası
Benzer şekilde, izobarik bir süreç, sabit ve gaz kütlesi olan bir sistemde meydana gelen termodinamik bir süreçtir. Bu nedenle, izobarik bir süreçte (p \u003d const), gaz tarafından yapılan iş, termodinamiğin birinci yasasının aşağıdaki denklemi ile ifade edilir:
A \u003d p (V2 - V1) \u003d p ΔV.
Termodinamiğin izobarik birinci yasası şunları verir:
Q \u003d U (T2) - U (T1) + p (V2 - V1) \u003d ΔU + p ΔV. İzobarik genişleme Q\u003e 0 ile ısı gaz tarafından emilir ve gaz pozitif iş yapar. İzobarik sıkıştırmada Q< 0 – тепло отдается внешним телам. В этом случае A < 0. Температура газа при изобарном сжатии уменьшается, T2 < T1; внутренняя энергия убывает, ΔU < 0.
Termodinamiğin birinci yasasının uygulanması
Termodinamiğin birinci yasası, fizikteki çeşitli işlemlere pratik uygulamaya sahiptir, örneğin, çeşitli termal ve mekanik işlemlerde bir gazın ideal parametrelerini hesaplamanıza izin verir. Tamamen pratik bir uygulamaya ek olarak, bu yasa felsefi olarak da uygulanabilir, çünkü ne derseniz deyin, ancak termodinamiğin birinci yasası, doğanın en genel yasalarından birinin - enerjinin korunumu yasasının bir ifadesidir. Vaizler bile hiçbir şeyin hiçbir yerden görünmediğini ve hiçbir yerden ayrılmadığını, her şeyin ebediyen kaldığını, sürekli dönüştüğünü yazdı, bu termodinamiğin birinci yasasının tüm özüdür.
Termodinamiğin birinci yasası, video
Ve yazımızın sonunda, dikkatinize termodinamiğin birinci yasası ve iç enerjiyle ilgili bir eğitim videosu.
(yanı sıra enerji).
Termodinamiğin ilk yasası, 1842'de Alman bilim adamı J.L.Maner tarafından formüle edildi ve 1843'te İngiliz bilim adamı J. Joule tarafından deneysel olarak onaylandı.
Aşağıdaki gibi formüle edilmiştir:
Bir durumdan diğerine geçiş sırasında sistemin iç enerjisindeki değişim, dış kuvvetlerin işinin toplamına ve sisteme aktarılan ısı miktarına eşittir:
ΔU = Bir + Q,
nerede ΔU - iç enerjide değişiklik, Bir - dış güçlerin çalışması, Q - sisteme aktarılan ısı miktarı.
Gönderen ( ΔU = Bir + Q) takip eder iç enerji koruma yasası ... Sistem dış etkilerden izole edilmişse, o zaman Bir = 0 ve Q = 0 ve bu nedenle ΔU = 0 .
İzole edilmiş bir sistemde gerçekleşen herhangi bir işlem için, iç enerjisi sabit kalır.
İş dış kuvvetler tarafından değil sistem tarafından yapılıyorsa, denklem ( ΔU \u003d A + Q) şu şekilde yazılmıştır:
nerede A " - sistem tarafından yapılan iş ( A "\u003d -A).
Sisteme aktarılan ısı miktarı, iç enerjisini değiştirmek ve sistemin dış gövdeler üzerinde çalışması için kullanılır.
Termodinamiğin birinci yasası, herhangi bir kaynaktan enerji çekmeden (yani, yalnızca iç enerjiye bağlı olarak) çalışan birinci türden bir sürekli hareket makinesinin varlığının imkansızlığı olarak formüle edilebilir.
Nitekim vücut ısı almazsa ( Q - 0 ), sonra çalışın A "denkleme göre, sadece iç enerjideki düşüş nedeniyle oluşur A "\u003d -ΔU... Enerji beslemesi bittikten sonra motor çalışmayı durdurur.
Unutulmamalıdır ki, hem iş hem de ısı miktarı, iç enerjiyi değiştirme işleminin özellikleri olduğundan, sistemin belirli bir miktar ısı veya iş içerdiği söylenemez. Herhangi bir durumda sistemin yalnızca belirli bir iç enerjisi vardır.
Termodinamiğin birinci yasasının çeşitli süreçlere uygulanması.
Düşünmek termodinamiğin birinci yasasının uygulanması çeşitli termodinamik süreçler.
İzokorik süreç.
Bağımlılık p (T) termodinamik diyagram gösterir isochoroy.
İzokorik (izokorik) süreç - sabit bir hacimde bir sistemde meydana gelen termodinamik bir süreç.
İzokorik süreç, sabit hacimli bir kapta bulunan gazlar ve sıvılar içinde gerçekleştirilebilir.
İzokorik süreçte gaz hacmi değişmez ( ΔV \u003d 0) ve termodinamiğin birinci yasasına göre,
ΔU = Q,
yani, iç enerjideki değişim, işten beri aktarılan ısı miktarına eşittir ( A \u003d pΔV=0 ) gazla yapılmaz.
Gaz ısınırsa, o zaman Q\u003e 0 ve ΔU\u003e 0, iç enerjisi artar. Gaz soğuturken Q< 0 ve ΔU< 0 iç enerji azalır.
İzotermal süreç.
İzotermal süreç grafik olarak gösterilir izoterm.
İzotermal süreç Bir sistemde sabit bir sıcaklıkta gerçekleşen termodinamik bir süreçtir.
İzotermal bir işlem sırasında gazın iç enerjisi değişmediğinden, aşağıdaki formüle bakınız 
, (T \u003d sabit), sonra gaza aktarılan tüm ısı miktarı işe gider:
Gaz ısı aldığında ( Q > 0 ) olumlu işler yapıyor ( A "\u003e 0). Gaz ortama ısı verirse Q < 0 ve A "< 0 ... Bu durumda, gaz üzerinde dış kuvvetler tarafından çalışma yapılır. Dış güçler için iş olumludur. Geometrik olarak, izotermal bir süreçteki iş, eğrinin altındaki alan tarafından belirlenir. p (V).
İzobarik süreç.
Termodinamik diyagramdaki izobarik süreç tasvir edilmiştir izobarik.
İzobarik (izobarik) süreç- sabit basınçlı bir sistemde termodinamik süreç r.
İzobarik bir sürecin bir örneği, serbest çalışan, yüklü bir pistona sahip bir silindirdeki gaz genleşmesidir.
İzobarik işlemde, formüle göre gaza aktarılan ısı miktarı iç enerjisini değiştirmeye gider. ΔUve onların çalışmasını sağlamak için A " sabit basınçta:
Q \u003d ΔU + A ".
İdeal gaz çalışması bağımlılık grafiği ile belirlenir p (V) izobarik süreç için ( A "\u003d pΔV).
İzobarik bir süreçte ideal bir gaz için hacim, sıcaklıkla orantılıdır; gerçek gazlarda, ısının bir kısmı parçacıkların ortalama etkileşim enerjisini değiştirmek için harcanır.
Adyabatik süreç.
Adyabatik süreç (adyabatik süreç) Çevre ile ısı alışverişi olmayan bir sistemde meydana gelen termodinamik bir süreçtir ( Q= 0) .
Sistemin adyabatik izolasyonu yaklaşık olarak adyabatik kabuklar olarak adlandırılan Dewar kaplarında elde edilir. Adyabatik olarak izole edilmiş bir sistem, çevreleyen cisimlerin sıcaklığındaki bir değişiklikten etkilenmez. Onun iç enerjisi U yalnızca sistem üzerinde veya sistemin kendisi üzerinde dış organlar tarafından yapılan iş nedeniyle değişebilir.
Termodinamiğin birinci yasasına göre ( ΔU \u003d A + Q), adyabatik sistemde
ΔU \u003d A,
nerede Bir - dış güçlerin işi.
Adyabatik gaz genleşmesi ile VE< 0 ... Bu nedenle
,
bu, adyabatik genleşme sırasında sıcaklıkta bir düşüş anlamına gelir. Gaz basıncının izotermal sürece göre daha keskin bir şekilde azalmasına yol açar. Aşağıdaki şekilde, iki izoterm arasından geçen adiabat 1-2, söylenenleri açıkça göstermektedir. Adyabatın altındaki alan, hacimden adyabatik genişlemesi sırasında gazın yaptığı işe sayısal olarak eşittir. V 1 , önce V 2.
Adyabatik sıkıştırma gazın sıcaklığının artmasına neden olur, çünkü gaz moleküllerinin piston ile elastik çarpışması sonucunda, azaldığında genleşmenin aksine ortalama kinetik enerjisi artar (ilk durumda, gaz moleküllerinin hızları artar, ikincisinde azalırlar).
Dizel motorlarda adyabatik sıkıştırma sırasında havanın keskin bir şekilde ısıtılması kullanılır.
Isı dengesi denklemi.
Kapalı (dış gövdelerden izole edilmiş) bir termodinamik sistemde, sistemin herhangi bir gövdesinin iç enerjisindeki değişim ΔU 1 tüm sistemin iç enerjisinde bir değişikliğe yol açamaz. Bu nedenle
Sistem içindeki herhangi bir cisim tarafından iş yapılmazsa, o zaman, termodinamiğin birinci yasasına göre, herhangi bir cismin iç enerjisindeki bir değişiklik, yalnızca bu sistemin diğer cisimleriyle ısı alışverişi nedeniyle meydana gelir: ΔU i \u003d Q i... Verilirse, alırız:
Bu denklem denir ısı dengesi denklemi... Buraya Q i - alınan veya verilen ısı miktarı benvücut. Herhangi bir ısı miktarı Q i Bir gövdenin erimesi, yakıtın yanması, buharın buharlaşması veya yoğunlaşması sırasında açığa çıkan veya emilen ısı anlamına gelebilir, eğer bu tür işlemler sistemin çeşitli gövdelerinde meydana gelirse ve ilgili oranlarla belirlenecektir.
Isı dengesi denklemi matematiksel bir ifadedir ısı değişimi sırasında enerjinin korunumu yasası.
Termodinamik sürece denir tersine çevrilebilir, hem ileri hem de ters yönde meydana gelebiliyorsa ve böyle bir süreç önce ileri yönde daha sonra ters yönde meydana geliyorsa ve sistem orijinal durumuna dönüyorsa ortamda ve bu sistemde herhangi bir değişiklik olmaz.
Bu koşulları karşılamayan herhangi bir işlem geri çevrilemez.
Herhangi bir denge süreci tersine çevrilebilir. Sistemde meydana gelen denge sürecinin tersinirliği, herhangi bir ara durumunun bir termodinamik denge durumu olduğu gerçeğinden kaynaklanır; sürecin ileri mi yoksa geri mi gittiğini. Gerçek süreçlere, bizim tarafımızdan dikkate alınmayan enerji dağılımı (sürtünme, ısı iletimi vb. Nedeniyle) eşlik eder. Tersinir süreçler, gerçek süreçlerin idealleştirmeleridir.2. için düşünmeleri önemlidir nedenler: 1) doğadaki ve teknolojideki birçok işlem pratik olarak tersine çevrilebilir; 2) tersine çevrilebilir işlemler en ekonomiktir; gerçek ısı motorlarının verimliliğini artırmanın yollarını göstermenize olanak tanıyan maksimum termal verime sahiptir.
Hacmi değiştiğinde gaz çalışır.
İş yalnızca hacim değiştiğinde yapılır.
Genel anlamda gazın hacmi değiştiğinde yaptığı dış işi bulalım. Örneğin, silindirik bir kaptaki bir pistonun altındaki bir gazı düşünün. Genişleyen gaz pistonu sonsuz küçük bir dl mesafesine hareket ettirirse, üzerinde çalışır.
A \u003d Fdl \u003d pSdl \u003d pdV, burada S pistonun alanıdır, Sdl \u003d dV sistem hacmindeki değişikliktir. Böylece, A \u003d pdV. (1)
Gazın hacmi V1'den V2'ye değiştiğinde gerçekleştirdiği toplam iş A, formül (1) ile bütünleştirilerek bulunabilir: A \u003d pdV (V1'den V2'ye). (2)
Entegrasyon sonucu, basınç ve gaz hacmi arasındaki ilişkinin niteliğine göre belirlenir. Eser için bulunan ifade (2) katı, sıvı ve gaz halindeki cisimlerin hacmindeki herhangi bir değişiklik için geçerlidir.
P
Gazın toplam işi, apsis, eğri ve V1, V2 değerleri ile sınırlanan şeklin alanına eşit olacaktır.
Sadece denge süreçleri grafiksel olarak gösterilebilir - bir dizi denge durumundan oluşan süreçler. Sonlu bir süre boyunca termodinamik parametrelerdeki değişimin sonsuz küçük olacağı şekilde ilerlerler. Tüm gerçek süreçler dengesizdir (sonlu bir hızla ilerlerler), ancak bazı durumlarda dengesizlikleri ihmal edilebilir (süreç ne kadar yavaş ilerlerse, dengeye o kadar yakın olur).
Termodinamiğin birinci yasası.
Vücutlar arasında enerji alışverişi yapmanın 2 yolu vardır:
ısı transferi yoluyla enerji transferi (ısı transferi yoluyla);
iş yaparak.
Böylece, bir vücuttan diğerine 2 enerji aktarımı biçiminden bahsedebiliriz: iş ve ısı. Mekanik hareketin enerjisi, termal hareket enerjisine dönüştürülebilir ve bunun tersi de geçerlidir. Bu dönüşümler sırasında, enerjinin korunumu ve dönüşümü yasası gözetilir; termodinamik süreçlerle ilgili olarak, bu yasa termodinamiğin birinci yasasıdır:
∆U \u003d Q-A veya Q \u003d ∆U + A .(1)
Yani, sisteme verilen ısı, iç enerjisini değiştirmek ve dış kuvvetlere karşı iş yapmak için harcanır. Diferansiyel formdaki bu ifade Q \u003d dU + A şeklinde olacaktır. (2) dU, sistemin iç enerjisindeki sonsuz küçük değişiklik olduğunda, A temel bir iştir, Q ise sonsuz derecede küçük bir ısı miktarıdır.
Formül (1) 'den SI'da ısı miktarının iş ve enerji ile aynı birimlerde ifade edildiğini takip eder, yani. joule cinsinden (J).
Sistem periyodik olarak orijinal durumuna dönerse, iç enerjisindeki değişiklik ∆U \u003d 0. Termodinamiğin 1. yasasına göre, A \u003d Q,
Yani, birinci türden bir sürekli hareket makinesi - dışarıdan kendisine verilen enerjiden daha fazla iş yapacak olan periyodik olarak çalışan bir motor - imkansızdır (termodinamiğin 1. yasasının formülasyonlarından biri).
Termodinamiğin 1. yasasının izoproseslere ve adyabatik prosese uygulanması.
Termodinamik sistemlerle meydana gelen denge süreçleri arasında, durumun ana parametrelerinden birinin sabit kaldığı izoprosesler ayırt edilir.
İzokorik süreç (V= sabit)
Bu süreçte, gaz dış cisimler üzerinde çalışmaz, yani A \u003d pdV \u003d 0.
Sonra, termodinamiğin 1. yasasından, vücuda aktarılan tüm ısının iç enerjisini arttırmak için gittiği sonucu çıkar: Q \u003d dU. DU m \u003d C v dT olduğunu bilmek.
Daha sonra keyfi bir gaz kütlesi için, получQ \u003d dU \u003d m \\ M * C v dT elde ederiz.
İzobarik süreç (p= sabit).
Bu süreçte, V1'den V2'ye hacim artışı ile gazın çalışması, A \u003d pdV'ye (V1'den V2'ye) \u003d p (V2-V1) eşittir ve apsis, p \u003d f (V) eğrisi ve V1 değerleri ile sınırlanan şeklin alanı tarafından belirlenir, V2. Mendeleev-Clapeyron un ur-e'sini seçtiğimiz 2 durum için hatırlarsak, o zaman
pV 1 \u003d m \\ M * RT 1, pV 2 \u003d m \\ M * RT 2, dolayısıyla V 1 - V 2 \u003d m \\ M * R \\ p (T 2 - T 1). Ardından, izobarik genişleme çalışması için ifade A \u003d m \\ M * R (T 2 - T 1) biçimini alır. (1.1).
İzobarik bir işlemde, m kütleli bir gaz verildiğinde ısı miktarı
Q \u003d m \\ M * C p dT iç enerjisi dU \u003d m \\ M * C v dT kadar artar. Bu durumda gaz, ifade ile belirlenen işi gerçekleştirir. (1.1).
İzotermal süreç (T= sabit).
Bu süreç Boyle-Mariotte yasası ile açıklanmaktadır: pV \u003d const.
İzotermal gaz genişlemesi işini bulalım: A \u003d pdV (V1'den V2'ye) \u003d m / M * RTln (V2 / V1) \u003d m / M * RTln (p1 / p2).
T \u003d const'ta ideal bir gazın iç enerjisi değişmediğinden: dU \u003d m / M * C v dT \u003d 0, o zaman termodinamiğin 1. yasasından (Q \u003d dU + A) izotermal bir süreç için Q \u003d A, yani gaza verilen ısının tamamı dış kuvvetlere karşı iş yapmak için harcanır: Q \u003d A \u003d m / M * RTln (p1 / p2) \u003d m / M * RTln (V2
Sonuç olarak, gazın genleşmesi sırasında sıcaklığın düşmemesi için, izotermal işlem sırasında gaza, harici genleşme işine eşdeğer miktarda ısı sağlanması gerekir.
Ryh varlıklarındaki sistemler için, termal işlemler (ısının soğurulması veya salınması) önemlidir. Termodinamiğin birinci yasasına göre termodinamik. sistem (örneğin, bir ısı motorundaki buhar) yalnızca iç yapısı nedeniyle çalışabilir. enerji veya k.-l. ext. enerji kaynağı. Termodinamiğin birinci yasası, genellikle, belirli bir kaynaktan enerji çekmeden çalışan birinci türden sürekli bir hareket makinesinin varlığının imkansızlığı olarak formüle edilir.
P termodinamiğin birinci yasası, sistemin iç enerjisi kavramını devletin bir işlevi olarak ortaya koymaktadır. Sisteme belirli bir miktarda Q ısı bilgisi verildiğinde, dahili bir değişiklik olur. sistemin enerjisi DU ve sistem A işini gerçekleştirir:
DU \u003d Q + A.
P termodinamiğin birinci yasası, sistemin her durumunun belirli bir int değeriyle karakterize edildiğini belirtir. enerji U, sistemin bu duruma nasıl getirildiğine bakılmaksızın. U değerlerinin aksine, A ve Q değerleri, sistem durumunda değişikliğe yol açan sürece bağlıdır. İlk ve son durumlar a ve b sonsuz derecede yakınsa (bu tür durumlar arasındaki geçişlere sonsuz küçük süreçler denir), termodinamiğin birinci yasası şu şekilde yazılır:
Bu, int'de sonsuz küçük bir değişiklik olduğu anlamına gelir. enerji dU, durum fonksiyonunun toplam diferansiyelidir,şunlar. integral \u003d U b - U a iken, sonsuz küçük miktarlarda ısı ve iş diferansiyel değildir. miktarlar, yani bu sonsuz küçük niceliklerin integralleri, a ve b durumları arasında seçilen geçiş yoluna bağlıdır (bazen bunlara tamamlanmamış diferansiyeller denir).
Hacim sistemi Y tarafından gerçekleştirilen toplam iş miktarından, tersine çevrilebilir izotermal işi ayırt edilebilir. ext eylemi altında genişleme. basınç p e, p e V'ye eşit ve diğer tüm iş türleri, her biri sisteme çevreden genelleştirilmiş koordinat xi ile etki eden belirli bir genelleştirilmiş kuvvetin ürünü ile temsil edilebilir, karşılık gelen genelleştirilmiş kuvvetin etkisi altında değişen. Sonsuz küçük bir süreç için
P termodinamiğin birinci yasası, maks. izotermal olduğunda elde edilen iş. ideal gazın genişlemesi, izotermal sabit olarak sıvının buharlaşması. baskı, adyabatik yasalarını oluşturur. gazların genişlemesi, vb. Termodinamiğin birinci yasası, ısının kimyasalın bir sonucu olarak emildiği veya serbest bırakıldığı sistemler dikkate alındığında termokimyanın temelini oluşturur. p-tionlar, faz dönüşümleri. veya çözünme (çözeltilerin seyreltilmesi).
Sistem çevre ile sadece enerji değil, aynı zamanda in-vom (bkz. Açık sistem) ile değiş tokuş yapıyorsa, int değiştirin. İlk durumdan son duruma geçiş sırasında sistemin enerjisi, A işi ve Q ısısına ek olarak sözde de içerir. Z kütlesinin enerjisi. Sonsuz küçük süreçte kütlenin sonsuz küçük enerjisi kimyasal tarafından belirlenir. sistem bileşenlerinin her birinin potansiyelleri m k:\u003d, burada dN k, ortamla değişimin bir sonucu olarak k'inci bileşeninin mol sayısındaki sonsuz küçük değişikliktir.
Yarı statik durumunda. süreç, sistem her an çevre ile denge içinde olduğunda, genel olarak termodinamiğin birinci yasasının bir izine sahiptir. mat. ifade:
nerede p ve m k karşılık gelen değerlere eşittir
TERMODİNAMİĞİN İLK BAŞLANGICI VE UYGULAMASI
Temel tanımlar
Kimyasal termodinamik, genel termodinamiğin hükümlerini ve yasalarını kimyasal olayların incelenmesine uygular. Kimyasal termodinamik yasalarını türetmek için, sistemin ilk ve son durumlarının yanı sıra işlemin gerçekleştiği dış koşulları (sıcaklık, basınç, vb.) Bilmeniz gerekir. Kimyasal termodinamik, maddenin iç yapısı ve süreçlerin mekanizması hakkında herhangi bir sonuca varılmasına izin vermez. Bu, termodinamik yöntemin sınırlandırmasıdır.
Kimyasal termodinamikte, genel termodinamikte olduğu gibi aynı kavramlar, terimler ve miktarlar kullanılır.
Bir sistem, ortamla etkileşime giren ve koşullu olarak ayrılmış olan ayrı bir gövde veya bir grup gövdedir.
İzole bir sistem, ısı alışverişi yapmayan ve çevre ile çalışan, yani enerjisi ve hacmi sabit olan bir sistemdir.
Bir sistemin durumu, bu sistemi karakterize eden bir dizi fiziksel ve kimyasal özelliktir.
Termodinamik bir sistemin durumu termodinamik parametrelerle karakterize edilir. Termodinamik parametreler arasında sıcaklık, basınç, hacim, konsantrasyon vb. Yer alır.
Termodinamik parametrelerin en az birinde bir değişiklikle ilişkili bir sistemdeki herhangi bir değişikliğe termodinamik süreç denir. Bir parametredeki değişiklik yalnızca başlangıç \u200b\u200bve son durumlara bağlıysa ve işlem yoluna bağlı değilse, bu tür bir parametreye durum işlevi denir.
Dairesel bir süreç veya bir döngü, bir termodinamik sistemin bazı başlangıç \u200b\u200bdurumlarından çıktıktan ve bir dizi değişikliğe uğradıktan sonra aynı duruma geri döndüğü bir süreçtir; bu süreçte, durumun herhangi bir parametresindeki değişiklik sıfırdır. Akış koşullarına bağlı olarak süreçler ayırt edilir: izobarik, izotermal, adyabatik, izokorik, izobarik-izotermal vb.
İç enerji, sıcaklık ve iş. Termodinamiğin birinci yasası
Hareket, maddenin doğal bir özelliğidir. Hareket, niteliksel olarak birbirinden farklı, ancak birbirine bağlı ve birbirine dönüşen farklı biçimlerde kendini gösterir. Hareketin ölçüsü enerjidir. Kimyasal termodinamikte iç enerji kavramı önemlidir.
Sistemin iç enerjisi, vücudun tüm parçacıklarının birbirleriyle etkileşim potansiyel enerjisinin ve hareketlerinin kinetik enerjisinin toplamıdır, yani. atomlarda, atomların çekirdeklerinde bulunan enerji, moleküller arası etkileşim enerjisi ve diğer enerji türleri. İç enerji, sistemin toplam enerjisi eksi bir bütün olarak sistemin kinetik enerjisi ve potansiyel konum enerjisidir. Bir cismin iç enerjisinin mutlak değeri bilinmemektedir, ancak kimyasal termodinamiğin kimyasal olayların incelenmesine uygulanması için, sistemin bir durumdan diğerine geçişi sırasında yalnızca iç enerjideki değişimi bilmek önemlidir.
Bir vücuttan diğerine geçişi sırasında iç enerjideki tüm değişiklikler iki gruba ayrılabilir. İlk grup, temas eden iki cismin moleküllerinin kaotik çarpışması nedeniyle enerji transferi biçimini içerir. Bu şekilde aktarılan enerjinin ölçüsü ısıdır.
İkinci grup, herhangi bir kuvvetin etkisi altında çok sayıda parçacıktan oluşan kütleleri hareket ettirirken birçok enerji aktarımı biçimini içerir. Bunlar, yerçekimi alanındaki cisimlerin kaldırılmasını, elektriğin daha yüksek bir potansiyele geçişini, gazın genişlemesini, vb. İçerir. Bu şekilde aktarılan enerjinin genel ölçüsü iştir.
Birçok süreçte, iç enerji transferi kısmen ısı şeklinde kısmen de iş şeklinde gerçekleştirilebilir. Böylece, ısı ve iş, niteliksel ve niceliksel olarak, bir vücuttan diğerine iki farklı enerji transferi biçimini karakterize eder; enerji ile aynı birimlerde ölçülürler.
Herhangi bir tür iş veya enerji, iki faktörün ürünü olarak düşünülebilir: kapasite faktöründeki değişikliğin yoğunluk faktörü, aynı zamanda uzatma faktörü olarak da adlandırılır (eğer yoğunluk faktörü işlem sırasında sabit kalırsa). Yani, örneğin, sıradan mekanik iş, uygulanan kuvvetin ürününe ve yolun artışına eşittir. İki sistem etkileşime girebiliyorsa, tek bir ortak sistem oluştururlar ve yeni sistemin kapasite faktörü, her iki orijinal sistemin yoğunluk faktörlerinin aynı olması koşuluyla, onu oluşturan parçaların kapasite faktörlerinin toplamına eşittir. İlk sistemlerin yoğunluk faktörleri aynı değilse, o zaman genel sistemde, karşılık gelen kapasite faktörlerini değiştirerek yoğunluk faktörlerinin eşitlenmesine doğru ilerleyen bir süreç başlar. Böylece, örneğin, hacimler değiştirilerek basınçlar eşitlenir. İç enerji, iş ve ısı arasındaki ilişki, termodinamiğin birinci yasası temelinde kurulur. Termodinamiğin birinci yasası, insanlığın asırlık deneyimlerinden doğan bir varsayımdır. Termodinamiğin birinci yasasının birbirine eşdeğer olan ve birbirini takip eden birkaç formülasyonu vardır. Bunlardan biri ilk olarak kabul edilirse, sonuç olarak diğerleri ondan elde edilir.
Termodinamiğin birinci yasası doğrudan enerjinin korunumu yasası ile ilgilidir ve herhangi bir yalıtılmış sistemde enerji arzının sabit kaldığını belirtir. Bu nedenle, çeşitli enerji türlerinin eşdeğerlik yasasını izler: farklı enerji biçimleri, kesinlikle eşdeğer miktarlarda birbirine geçer. İlk ilke şu şekilde de ifade edilebilir: Birinci türden bir sürekli hareket makinesi imkansızdır, yani, üzerine uygun miktarda moleküler enerji harcamadan mekanik iş verecek bir makine inşa etmek imkansızdır; veya iç enerji, durumun bir işlevidir, yani değişimi sürecin yoluna bağlı değildir, ancak yalnızca sistemin başlangıç \u200b\u200bve son durumuna bağlıdır.
İç enerjinin devletin bir işlevi olduğunu kanıtlayalım. Sistem bir yol boyunca birinci durumdan ikinciye geçtiğinde, iç enerjideki değişim ΔUa'ya eşittir ve diğer yol boyunca - ΔUb, yani. Yani, önce iç enerjideki değişimin sürecin yoluna bağlı olduğunu varsayalım. Eğer ΔUa ve ΔUb değerleri farklıysa, o zaman, sistemi izole etmek ve bir darbe ile durum 7'den durum 2'ye geçmek ve sonra başka bir şekilde durum 2'den durum 1'e geçmek, kişi enerji kazanımı veya kaybı ΔUb-ΔUa-alır, ancak sistemin yalıtılmış olması koşuluyla, yani Yani ısı alışverişi yapmaz ve çevre ile çalışmaz ve termodinamiğin birinci yasasına göre enerji arzı sabit olmalıdır. Dolayısıyla bu varsayım yanlıştır. Sistemin durum 1'den durum 2'ye geçişi sırasında iç enerjideki değişim, sürecin yoluna bağlı değildir, yani iç enerji, durumun bir fonksiyonudur.
Sistemin iç enerjisi ΔU'daki değişim, Q ısısının ve A çalışmasının çevre ile değişimi nedeniyle meydana gelebilir. Sistemin aldığı ısıyı ve sistemin yaptığı işi pozitif değerler olarak kabul ettik. Daha sonra, termodinamiğin birinci yasasından, sistem tarafından dışarıdan alınan ısı Q'nun, iç enerji ΔU ve sistem tarafından gerçekleştirilen A işi artışına harcandığı, yani.
Q \u003d ΔU + A. (II, 1)
Denklem (II, 1), termodinamiğin birinci yasasının matematiksel bir formülasyonudur. Denklemdeki (II, 1) ΔU, Q ve A değerleri, sürecin doğasına bağlı olarak hem pozitif hem de negatif değerlere sahip olabilir. Örneğin, her üç miktar da negatifse, bu, sistem tarafından dış ortama verilen ısının, iç enerji kaybına ve sistem tarafından alınan işe eşit olduğu anlamına gelir.
İç enerjiden farklı olarak, ısı Q ve iş A durum fonksiyonları değildir, sürecin yoluna bağlıdırlar. Onların farkı
S- A \u003d ΔU (II, 2)
işlem yoluna bağlı değildir. Bu miktarlarda sonsuz küçük bir değişiklik için, elimizde
termodinamik endotermik reaksiyon
δQ \u003d dU + δA, (II, 3)
dU, sistemin iç enerjisinin toplam diferansiyelidir; δQ - sonsuz miktarda ısı; δА sonsuz derecede küçük bir iştir.
Farklı proseslerde ideal gaz genleşme çalışması
Pek çok sistem için tek iş, uzatma çalışmasıdır. Gaz genleştirme işi genellikle pratik öneme sahiptir ve yeterince düşük basınçlarda ve nispeten yüksek sıcaklıklarda bulunan birçok gaz yaklaşık olarak ideal gaz yasalarına uyar. İdeal bir gazın farklı süreçlerdeki genişleme işini hesaplamak için matematiksel ilişkileri ele alalım. Gaz genişlediğinde, denklem ile hesaplanan iş yapılır.
veya ayrılmaz biçimde
,(11,6)Denklemin (II, 6) entegrasyonu yalnızca dengeye yakın koşullar altında gazın genleşmesi veya daralması işlemi için mümkündür. Bu durumda yapılan iş en büyüktür ve maksimum iş olarak adlandırılır.
Denklemi (II, 6) entegre etmek için, basınç ve gaz hacmi arasındaki ilişkiyi, yani gazın durum denklemini bilmeniz gerekir.
İdeal bir gaza olan bu bağımlılık, Mendeleev - Clapeyron durum denklemi ile açıklanmaktadır:
burada n, ideal bir gazın mol sayısıdır; R, 8.314 J / mol-deg'e eşit evrensel gaz sabitidir.
Beş işlemde ideal bir gazın maksimum genişleme çalışması için ifadeleri ele alalım: izobarik, izotermal, adyabatik, izokorik ve izobarik-izotermal.
1. İzobarik işlem, sabit basınçta (p \u003d const) gerçekleştirilir. Bu durumda, denklem (II, 6) 'dan elde ederiz