Hvad er termodynamikens første lov?

den første lov om termodynamik siger, at varme er en form for energi, og termodynamiske processer er derfor underlagt princippet om bevarelse af energi. Det betyder, at varmeenergi ikke kan skabes eller ødelægges. Det kan dog overføres fra et sted til et andet og omdannes til og fra andre former for energi.

termodynamik er den gren af fysik, der beskæftiger sig med forholdet mellem varme og andre former for energi. Det beskriver især, hvordan termisk energi omdannes til og fra andre former for energi, og hvordan det påvirker stof. De grundlæggende principper for termodynamik er udtrykt i fire love.

“den første lov siger, at et systems indre energi skal være lig med det arbejde, der udføres på systemet, plus eller minus varmen, der strømmer ind eller ud af systemet og ethvert andet arbejde, der udføres på systemet,” sagde Saibal mitra, professor i fysik ved Missouri State University. “Så det er en omlægning af bevarelse af energi.”

Mitra fortsatte, ” ændringen i intern energi i et system er summen af alle energiindgange og-output til og fra systemet på samme måde som hvordan alle indskud og udbetalinger, du foretager, bestemmer ændringerne i din banksaldo.”Dette udtrykkes matematisk som: “vi”, “hvor vi” er forandringen i den indre energi”, ” vi “er den varme, der tilføres systemet,” og ” vi ” er det arbejde, der udføres af systemet.

historie

forskere i slutningen af det 18.og det tidlige 19. århundrede fulgte kaloriteorien, først foreslået af Antoine Lavoisier i 1783, og yderligere styrket af Sadi Carnots arbejde i 1824, ifølge American Physical Society. Kaloriteori behandlede varme som en slags væske, der naturligt flød fra varme til kolde områder, meget som vand strømmer fra høje til lave steder. Når denne kaloriefattige væske flød fra en varm til en kold region, det kunne omdannes til kinetisk energi og gjort til at gøre arbejde meget som faldende vand kunne drive en vandhjul. Det var først, før Rudolph Clausius offentliggjorde” The Mechanical Theory of Heat ” i 1879, at kaloriteorien endelig blev sat til hvile.

termodynamiske systemer

energi kan opdeles i to dele, ifølge David McKee, professor i fysik ved Missouri Southern State University. Den ene er vores makroskopiske bidrag i menneskelig skala, såsom et stempel, der bevæger sig og skubber på et gassystem. Omvendt sker der ting i en meget lille skala, hvor vi ikke kan holde styr på de enkelte bidrag.

McKee forklarer: “Når jeg sætter to prøver af metal op mod hinanden, og atomerne rattler rundt ved grænsen, og to atomer hopper ind i hinanden, og en af de kommer hurtigere ud end den anden, kan jeg ikke holde styr på det. Det sker på en meget lille tidsskala og en meget lille afstand, og det sker mange, mange gange i sekundet. Så vi deler bare al energioverførsel i to grupper: de ting, vi skal holde styr på, og de ting, vi ikke vil holde styr på. Sidstnævnte af disse er, hvad vi kalder varme.”

termodynamiske systemer betragtes generelt som åbne, lukkede eller isolerede. Ifølge University of California, Davis, udveksler et åbent system frit energi og stof med dets omgivelser; et lukket system udveksler energi, men ikke noget med dets omgivelser; og et isoleret system udveksler ikke energi eller stof med dets omgivelser. For eksempel modtager en gryde kogende suppe energi fra ovnen, udstråler varme fra gryden og udsender stof i form af damp, som også bærer varmeenergi væk. Det ville være et åbent system. Hvis vi lægger et stramt låg på gryden, ville det stadig udstråle varmeenergi, men det ville ikke længere udsende stof i form af damp. Det ville være et lukket system. Men hvis vi skulle hælde suppen i en perfekt isoleret termosflaske og forsegle låget, ville der ikke være energi eller stof, der går ind i eller ud af systemet. Dette ville være et isoleret system.

i praksis kan der imidlertid ikke eksistere perfekt isolerede systemer. Alle systemer overfører energi til deres miljø gennem stråling, uanset hvor godt isoleret de er. Suppen i termoserne forbliver kun varm i et par timer og når stuetemperatur den følgende dag. I et andet eksempel kan hvide dværgstjerner, de varme rester af udbrændte stjerner, der ikke længere producerer energi, isoleres af lysår med næsten perfekt vakuum i det interstellære rum, men de vil til sidst køle ned fra flere titusinder af grader til næsten absolut nul på grund af energitab gennem stråling. Selvom denne proces tager længere tid end universets nuværende alder, er der ingen stoppe det.

varmemotorer

den mest almindelige praktiske anvendelse af den første lov er varmemotoren. Varmemotorer omdanner termisk energi til mekanisk energi og omvendt. De fleste varmemotorer falder ind under kategorien åbne systemer. Det grundlæggende princip for en varmemotor udnytter forholdet mellem varme, volumen og tryk i en arbejdsvæske. Denne væske er typisk en gas, men i nogle tilfælde kan den gennemgå faseændringer fra gas til væske og tilbage til en gas i løbet af en cyklus.

når gas opvarmes, udvides den; men når denne gas er begrænset, øges den i tryk. Hvis indeslutningskammerets bundvæg er toppen af et bevægeligt stempel, udøver dette tryk en kraft på stemplets overflade, hvilket får det til at bevæge sig nedad. Denne bevægelse kan derefter udnyttes til at udføre arbejde svarende til den samlede kraft, der påføres toppen af stemplet, gange den afstand, som stemplet bevæger sig.

der er mange variationer på den grundlæggende varmemotor. For eksempel er dampmaskiner afhængige af ekstern forbrænding for at opvarme en kedeltank, der indeholder arbejdsvæsken, typisk vand. Vandet omdannes til damp, og trykket bruges derefter til at drive et stempel, der omdanner varmeenergi til mekanisk energi. Bilmotorer bruger imidlertid forbrænding, hvor flydende brændstof fordampes, blandes med luft og antændes inde i en cylinder over et bevægeligt stempel, der kører det nedad.

køleskabe, klimaanlæg og varmepumper

Køleskabe og varmepumper er varmemotorer, der omdanner mekanisk energi til varme. De fleste af disse falder ind under kategorien lukkede systemer. Når en gas komprimeres, stiger dens temperatur. Denne varme gas kan derefter overføre varme til det omgivende miljø. Derefter, når den komprimerede gas får lov til at ekspandere, bliver dens temperatur koldere, end den var, før den blev komprimeret, fordi noget af dens varmeenergi blev fjernet under den varme cyklus. Denne kolde gas kan derefter absorbere varmeenergi fra sit miljø. Dette er arbejdslederen bag et klimaanlæg. Klimaanlæg producerer faktisk ikke kulde; de fjerner varme. Arbejdsfluidet overføres Udendørs af en mekanisk pumpe, hvor den opvarmes ved kompression. Dernæst overfører den denne varme til det udendørs miljø, normalt gennem en luftkølet varmeveksler. Derefter bringes det tilbage indendørs, hvor det får lov til at ekspandere og afkøle, så det kan absorbere varme fra indeluften gennem en anden varmeveksler.

en varmepumpe er simpelthen et klimaanlæg, der kører i omvendt retning. Varmen fra den komprimerede arbejdsvæske bruges til at opvarme bygningen. Det overføres derefter udenfor, hvor det udvides og bliver koldt, hvilket gør det muligt at absorbere varme fra udeluften, som selv om vinteren normalt er varmere end den kolde arbejdsvæske.

geotermiske eller jordkilde klimaanlæg og varmepumpesystemer bruger lange U-formede rør i dybe brønde eller en række vandrette rør begravet i et stort område, gennem hvilket arbejdsfluidet cirkuleres, og varme overføres til eller fra jorden. Andre systemer bruger floder eller havvand til at opvarme eller afkøle arbejdsvæsken.

den første lov om termodynamik siger, at varme er en form for energi, og termodynamiske processer er derfor underlagt princippet om bevarelse af energi. Det betyder, at varmeenergi ikke kan skabes eller ødelægges. Det kan dog overføres fra et sted til et andet og omdannes til og fra andre former for energi. termodynamik er den…

den første lov om termodynamik siger, at varme er en form for energi, og termodynamiske processer er derfor underlagt princippet om bevarelse af energi. Det betyder, at varmeenergi ikke kan skabes eller ødelægges. Det kan dog overføres fra et sted til et andet og omdannes til og fra andre former for energi. termodynamik er den…

Skriv et svar

Din e-mailadresse vil ikke blive publiceret.