La prima legge della termodinamica è una spiegazione di questa legge e di esempi pratici.

Processi fisici come il calore e il lavoro possono essere spiegati dal semplice trasferimento di energia da un corpo all'altro. Nel caso del lavoro, si tratta di energia meccanica Il calore assume l'energia termica. Il trasferimento di energia viene effettuato secondo le leggi della termodinamica. I punti principali di questa sezione della fisica sono noti come "inizi".

La prima legge della termodinamica regola e limita il processo di trasferimento di energia in un sistema o in un altro.

Tipi di sistemi energetici

Nel mondo fisico ci sono due tipi di sistemi energetici. Un sistema chiuso o chiuso ha una massa costante. In un sistema aperto o aperto, la massa può diminuire e aumentare a seconda dei processi che si verificano in questo sistema. La maggior parte dei sistemi osservati è aperta. La ricerca in tali sistemi è ostacolata da una moltitudine di fattori casuali che influenzano l'affidabilità dei risultati. Pertanto, i fisici studiano i fenomeni in sistemi chiusi, estrapolando i risultati a quelli aperti, tenendo conto delle necessarie correzioni.

Energia di sistema isolata

Qualsiasi sistema chiuso in cui non vi è uno scambio di energia con l'ambiente è isolato. Lo stato di equilibrio di un tale sistema è determinato dalle indicazioni di tali quantità:

• P - pressione del sistema;
• V è il volume del sistema isolato
• T è la temperatura;
• n è il numero di moli di gas nel sistema;

Come si può vedere, la quantità di calore e il lavoro svolto non sono inclusi in questo elenco. Un sistema chiuso e isolato non esegue lo scambio di calore e non esegue il lavoro. La sua energia totale rimane invariata.

Cambio di energia del sistema

Quando il lavoro è finito o si verifica un processo di scambio di calore, lo stato del sistema cambia e non sarà considerato isolato.

La formulazione della prima legge della termodinamica

Energia interna Un sistema chiuso consiste nella somma delle energie di tutte le particelle di questo sistema. Questa energia può essere modificata solo agendo sul sistema dall'esterno. L'energia interna di un tale sistema chiuso aumenterà sia a causa del lavoro svolto sul sistema, sia perché una certa quantità di calore viene trasferita a tale sistema. La riduzione dell'energia totale del sistema dipenderà anche da due fattori: o emetterà calore o lavorerà.

Il cambiamento nella quantità di energia totale può essere espresso da una formula che assomiglierà a questa:

Se stiamo parlando del lavoro svolto sul sistema, allora la variabile W sarà negativo Questa formula rappresenta la prima legge della termodinamica.

Legge sulla conservazione

Questa legge è considerata una delle leggi fondamentali della fisica. Il calore e il lavoro sono i mezzi principali per il trasferimento di energia e il cambiamento nell'energia interna del sistema dipende direttamente da queste quantità. Quindi, la prima legge della termodinamica viene modificata legge di risparmio energetico.

Prima di tutto, la prima legge della termodinamica è stata derivata per sistemi isolati. Successivamente è stato dimostrato che la legge è universale e può essere applicata a sistemi aperti, se si tiene conto correttamente del cambiamento nell'energia interna che si verifica a causa delle fluttuazioni della quantità di sostanza nel sistema. Se il sistema in questione passa dallo stato A allo stato B, allora il lavoro eseguito dal sistema W e la quantità di calore Q saranno differenti. Diversi processi danno letture diverse di queste variabili anche se il sistema alla fine arriva al suo stato originale. Ma la differenza è W - Q sarà sempre lo stesso In altre parole, se, dopo ogni impatto, il sistema è tornato al suo stato originale, quindi indipendentemente dal tipo di processi coinvolti nella trasformazione di tale sistema, viene osservata la regola W - Q = const .

In alcuni casi è più conveniente usare la formula differenziale per l'espressione della prima legge. Assomiglia a questo: dU = dW- dQ

qui dU - infinitamente piccolo cambiamento nell'energia interna

dW - valore che caratterizza il funzionamento infinitamente piccolo del sistema

dQ - quantità infinitamente piccola di calore trasferita a questo sistema.

entalpia

Per un'applicazione più ampia della prima legge della termodinamica, viene introdotto il concetto di entalpia.

Questo è il nome della quantità totale di energia totale di una sostanza e del prodotto di volume e pressione. L'espressione fisica dell'entalpia può essere rappresentata dalla seguente formula:

H = U + pV

Il valore assoluto di entalpia è la somma delle entalpie di tutte le parti che compongono il sistema.
In termini quantitativi, questo valore non può essere determinato. I fisici operano solo con la differenza delle entalpie dello stato finale e iniziale del sistema. Dopotutto, per qualsiasi calcolo, le modifiche nello stato del sistema selezionano un determinato livello al quale energia potenziale uguale a zero. Allo stesso modo, lo fanno nel calcolo dell'entalpia. Se applichiamo il concetto di entalpia, la prima legge della termodinamica per isoprocessi sarà simile a questa: dU = dW- dH

L'entalpia di qualsiasi sistema dipende dalla struttura interna delle sostanze che compongono questo sistema. Questi indicatori, a loro volta, dipendono dalla struttura della sostanza, dalla sua temperatura, quantità e pressione. Per le sostanze complesse, è possibile calcolare l'entalpia standard di formazione, che è uguale alla quantità di calore necessaria per formare una mole di una sostanza da componenti semplici. Di norma, il valore dell'entalpia standard è negativo, poiché nella sintesi di sostanze complesse nella maggior parte dei casi viene rilasciato calore.

La prima legge della termodinamica nei processi adiabatici

L'applicazione della prima legge della termodinamica per gli isoprocessi può essere considerata graficamente. Ad esempio, si consideri il processo adiabatico in cui la quantità di calore rimane costante per tutto il tempo, cioè Q = const . Tale izoprocesso procede in sistemi isolati termicamente o in un tempo così breve che il sistema non ha il tempo di eseguire lo scambio di calore con l'ambiente esterno. L'espansione lenta del gas nel diagramma della pressione del volume è descritta dalla seguente curva:

Secondo il programma è possibile dimostrare l'applicazione della prima legge della termodinamica agli isoprocessi. Poiché non vi è alcun cambiamento nella quantità di calore nel processo adiabatico, il cambiamento di energia interna è uguale alla quantità di lavoro prodotto. dU = - dW

Ne consegue che l'energia interna del sistema diminuisce e la sua temperatura diminuisce.

Esempi di processi adiabatici

Il contrario è anche vero: una diminuzione della pressione in assenza di scambio di calore aumenta bruscamente la temperatura del sistema. Approssimativamente, il gas si espande nei motori a combustione interna. Nei motori diesel, il gas combustibile viene compresso 15 volte. Un aumento a breve termine della temperatura consente alla miscela combustibile di autoaccensione.

Un altro esempio del processo adiabatico può essere considerato: la libera espansione dei gas. Per fare ciò, considera questa installazione, composta da due serbatoi:

Nel primo serbatoio c'è il gas, nel secondo è assente. Girando il rubinetto, faremo in modo che il gas riempia l'intero volume ad esso assegnato. Con un sufficiente isolamento del sistema, la temperatura del gas rimarrà invariata. Poiché il gas non ha funzionato, la variabile dW = const . Si è scoperto che, a parità di altre condizioni, la temperatura del gas diminuisce durante l'espansione. L'espansione del gas non è uniforme, pertanto questo processo non può essere rappresentato sul diagramma pressione-volume.

La prima legge della termodinamica è una legge universale che si applica a tutti i processi visibili dell'Universo. Una profonda comprensione delle cause di certe trasformazioni di energia ci permette di comprendere i fenomeni fisici esistenti e scoprire nuove leggi.