Первый закон термодинамики

Первый закон термодинамики — это фундаментальное понятие в изучении химии и физики. Он также известен как закон сохранения энергии. Этот закон гласит, что энергия не может быть создана или уничтожена в изолированной системе. Это означает, что общая энергия изолированной системы остается постоянной. Вместо этого энергия может быть только преобразована из одной формы в другую или передана из одной части системы в другую. Давайте разберемся в первом законе термодинамики подробнее.

Понимание энергии

Прежде чем углубляться в первый закон термодинамики, важно понять концепцию энергии. Энергия — это способность выполнять работу или производить тепло. Она существует в различных формах, включая кинетическую энергию, потенциальную энергию, тепловую энергию, химическую энергию и электрическую энергию и т. д. Единицей измерения энергии в Международной системе единиц (СИ) является джоуль (Дж).

Кинетическая энергия — это энергия, которую объект имеет благодаря своему движению. Например, движущийся автомобиль или текущая река обладают кинетической энергией. Формула для расчета кинетической энергии:

KE = 0.5 * m * v²

где m — масса объекта, а v — его скорость.

Потенциальная энергия — это энергия, запасенная в объекте благодаря его положению или состоянию. Например, натянутый лук или книга на полке обладают потенциальной энергией. Одной из форм потенциальной энергии является гравитационная потенциальная энергия, которая рассчитывается следующим образом:

PE = m * g * h

где m — масса, g — ускорение свободного падения, а h — высота над опорной точкой.

Формулировка закона

Теперь, когда у нас есть базовое понимание энергии, давайте объясним первый закон термодинамики простым способом: Изменение внутренней энергии системы равно теплу, добавленному в систему, минус работа, выполненная над системой.

Математически первый закон термодинамики выражается следующим образом:

ΔU = Q - W

где:

• ΔU — изменение внутренней энергии системы.
• Q — тепло, добавленное в систему.
• W — работа, выполненная системой.

Это уравнение подразумевает, что когда система поглощает тепло (Q положительно), ее внутренняя энергия увеличивается. Обратно, если система выполняет работу (W положительно), ее внутренняя энергия уменьшается.

Примеры первого закона

Рассмотрим некоторые сценарии, чтобы лучше понять, как первый закон термодинамики работает в различных системах.

Пример 1: Газ в цилиндре

Представьте газ, заключенный в цилиндр с поршнем. Если мы нагреем газ, энергия передается газу в форме тепла (Q). Это вызывает расширение газа и выполнение работы (W) на поршень, поднимая его вверх. Согласно первому закону, изменение внутренней энергии (ΔU) газа зависит от добавленного тепла и выполненной работы.

ΔU = Q - W

Если газу добавлено 500 джоулей тепловой энергии, и газ выполняет 200 джоулей работы над поршнем, то изменение внутренней энергии будет:

ΔU = 500 Дж - 200 Дж = 300 Дж

Таким образом, внутренняя энергия газа увеличится на 300 джоулей.

Пример 2: Кипящая вода в закрытом сосуде

Рассмотрим кипящую воду в закрытом, жестком контейнере. Когда тепло добавляется в систему, температура воды увеличивается. Однако, поскольку контейнер жесткий и не может расширяться, работа не выполняется (W = 0). Следовательно, любое добавленное тепло напрямую увеличивает внутреннюю энергию системы.

ΔU = Q - 0 = Q

Если добавлено 1000 джоулей тепла, то изменение внутренней энергии также будет 1000 джоулей.

Визуализация первого закона

Посмотрим, как эти концепции можно визуализировать. Рассмотрим простой пример газа в цилиндре с движущимся поршнем, что помогает визуализировать преобразование и передачу энергии:

[ | ] [ | газ ]