Mikä on termodynamiikan ensimmäinen laki?

termodynamiikan ensimmäisen lain mukaan lämpö on yksi energian muoto, ja termodynaamisiin prosesseihin sovelletaan siksi energian säilymisen periaatetta. Tämä tarkoittaa, että lämpöenergiaa ei voida luoda tai tuhota. Sitä voidaan kuitenkin siirtää paikasta toiseen ja muuntaa toisiin energiamuotoihin.

Termodynamiikka on fysiikan haara, joka käsittelee lämmön ja muiden energiamuotojen välisiä suhteita. Se kuvaa erityisesti sitä, miten lämpöenergia muuntuu toisiksi energiamuodoiksi ja niistä pois ja miten se vaikuttaa aineeseen. Termodynamiikan perusperiaatteet ilmaistaan neljällä lailla.

”ensimmäinen laki sanoo, että systeemin sisäenergian on oltava yhtä suuri kuin systeemissä tehtävä työ, plus tai miinus lämpö, joka virtaa systeemiin tai siitä ulos, ja mikä tahansa muu työ, mitä systeemillä tehdään”, sanoi Missourin osavaltionyliopiston fysiikan professori Saibal Mitra. ”Se on siis energian säästämisen uudelleenilmoitus.”

Mitra jatkoi, ” systeemin sisäisen energian muutos on kaikkien järjestelmään tulevien ja sieltä tulevien energiasyöttöjen ja-lähtöjen summa samalla tavalla kuin se, miten kaikki tekemäsi talletukset ja nostot määrittävät pankkisaldosi muutokset.”Tämä ilmaistaan matemaattisesti seuraavasti: ΔU = Q-W, missä ΔU on sisäenergian muutos, Q on systeemiin lisätty lämpö ja W on systeemin tekemä työ.

historia

1700-luvun lopun ja 1800-luvun alun tiedemiehet pitivät kiinni kalorikkiteoriasta, jota Antoine Lavoisier esitti ensimmäisen kerran vuonna 1783 ja jota Sadi Carnot vahvisti edelleen vuonna 1824 American Physical Societyn mukaan. Kalorikkiteoria käsitteli lämpöä eräänlaisena nesteenä, joka luonnollisesti virtasi kuumilta ja kylmiltä alueilta, paljolti samalla tavalla kuin vesi virtasi korkealta matalalle. Kun tämä kaloripitoinen neste virtasi kuumalta kylmälle alueelle, se voitiin muuttaa liike-energiaksi ja tehdä työtä paljolti samoin kuin putoava vesi voisi ajaa vesipyörää. Vasta Rudolph Clausius julkaisi vuonna 1879 teoksen ”The Mechanical Theory of Heat”, joka sai kalorikkiteorian lopullisesti loppuunsa.

termodynaamiset systeemit

energia voidaan jakaa kahteen osaan, arvioi Missouri Southern State Universityn fysiikan professori David McKee. Yksi niistä on ihmisen mittainen makroskooppinen vaikutuksemme, kuten kaasujärjestelmää liikuttava ja työntävä mäntä. Päinvastoin, asiat tapahtuvat hyvin pienessä mittakaavassa, jossa emme pysy kärryillä yksittäisistä panoksista.

McKee selittää: ”kun laitan kaksi näytettä metallia vastakkain, ja atomit kolisevat rajamailla, ja kaksi atomia kimpoaa toisiinsa, ja toinen irtoaa nopeammin kuin toinen, en pysty pitämään kirjaa siitä. Se tapahtuu hyvin pienellä aikajänteellä ja hyvin pienellä etäisyydellä, ja se tapahtuu monta, monta kertaa sekunnissa. Joten jaamme kaiken energian siirron kahteen ryhmään: asioihin, joita aiomme seurata, ja asioihin, joita emme pidä kirjaa. Näistä jälkimmäinen on niin sanottua lämpöä.”

termodynaamisia systeemejä pidetään yleensä avoimina, suljettuina tai eristettyinä. Kalifornian yliopiston Davisin mukaan avoin järjestelmä vaihtaa vapaasti energiaa ja ainetta ympäristönsä kanssa; suljettu järjestelmä vaihtaa energiaa, mutta ei ainetta ympäristönsä kanssa; ja eristetty järjestelmä ei vaihda energiaa tai ainetta ympäristönsä kanssa. Esimerkiksi kiehuva keitto saa energiaa liedeltä, säteilee lämpöä pannusta ja päästää ainetta höyryn muodossa, joka myös kuljettaa pois lämpöenergiaa. Tämä olisi avoin järjestelmä. Jos pannuun laittaisi tiukan kannen, se säteilisi edelleen lämpöenergiaa, mutta se ei enää päästäisi ainetta höyrynä. Tämä olisi suljettu järjestelmä. Jos kuitenkin kaataisimme keiton täysin eristettyyn termospulloon ja sulkisimme kannen, järjestelmään ei menisi energiaa tai Materiaa eikä siitä poistuisi mitään. Tämä olisi erillinen järjestelmä.

käytännössä täysin erillisiä järjestelmiä ei kuitenkaan voi olla olemassa. Kaikki järjestelmät siirtävät energiaa ympäristöönsä säteilyn kautta riippumatta siitä, kuinka hyvin ne on eristetty. Termospullossa oleva keitto pysyy kuumana vain muutaman tunnin ja lämpenee huoneenlämpöiseksi seuraavana päivänä. Toisessa esimerkissä valkoiset kääpiötähdet, palaneiden tähtien kuumat jäänteet, jotka eivät enää tuota energiaa, voidaan eristää tähtienvälisen avaruuden lähes täydellisen tyhjiön valovuosien avulla, mutta ne jäähtyvät lopulta useista kymmenistätuhansista asteista lähelle absoluuttista nollapistettä säteilyn aiheuttaman energiahävikin vuoksi. Vaikka tämä prosessi kestää kauemmin kuin universumin nykyinen ikä, sitä ei voi pysäyttää.

lämpömoottorit

ensimmäisen lain yleisin käytännön sovellutus on lämpömoottori. Lämpömoottorit muuntavat lämpöenergian mekaaniseksi energiaksi ja päinvastoin. Useimmat lämpömoottorit kuuluvat avoimien järjestelmien luokkaan. Lämmitysmoottorin perusperiaate hyödyntää työnesteen lämmön, tilavuuden ja paineen välisiä suhteita. Tämä neste on tyypillisesti kaasu, mutta joissakin tapauksissa se voi käydä läpi vaiheen muutoksia kaasusta nesteeksi ja takaisin kaasuksi syklin aikana.

kuumennettaessa kaasu laajenee, mutta kun kaasu on ahtautunut, sen paine kasvaa. Jos eristyskammion alaseinä on liikkuvan männän yläosa, tämä paine kohdistaa männän pintaan voiman, joka saa sen liikkumaan alaspäin. Tämä liike voidaan sitten valjastaa tekemään työtä, joka on yhtä suuri kuin männän yläosaan kohdistuva kokonaisvoima kertaa sen matkan, jonka mäntä liikkuu.

peruslämpömoottorista on lukuisia muunnelmia. Esimerkiksi höyrykoneet turvautuvat ulkoiseen polttoon lämmittääkseen kattilasäiliön, joka sisältää työnestettä, tyypillisesti vettä. Vesi muutetaan höyryksi, ja paineella ajetaan mäntää, joka muuntaa lämpöenergian mekaaniseksi energiaksi. Autojen moottoreissa käytetään kuitenkin polttomoottoria, jossa nestemäinen polttoaine höyrystyy, sekoittuu ilmaan ja syttyy sylinterin sisällä liikuteltavan männän yläpuolella, joka ajaa sitä alaspäin.

jääkaapit, ilmastointilaitteet ja lämpöpumput

jääkaapit ja lämpöpumput ovat lämpömoottoreita, jotka muuttavat mekaanisen energian lämmöksi. Useimmat näistä kuuluvat suljettujen järjestelmien luokkaan. Kun kaasua puristetaan, sen lämpötila nousee. Tämä kuuma kaasu voi sitten siirtää lämpöä ympäröivään ympäristöön. Kun puristetun kaasun annetaan sitten laajentua, sen lämpötila muuttuu kylmemmäksi kuin ennen puristusta, koska osa sen lämpöenergiasta poistui kuuman jakson aikana. Tämä kylmä kaasu voi sitten absorboida lämpöenergiaa ympäristöstään. Tämä on toimiva rehtori Ilmastointilaitteen takana. Ilmastointilaitteet eivät varsinaisesti tuota kylmää, vaan poistavat lämpöä. Työneste siirretään ulos mekaanisella pumpulla, jossa sitä lämmitetään puristamalla. Seuraavaksi se siirtää lämmön ulkotiloihin, yleensä ilmajäähdytteisen lämmönvaihtimen kautta. Sitten se tuodaan takaisin sisätiloihin, jossa sen annetaan laajentua ja jäähtyä, jotta se voi imeä lämpöä sisäilmasta toisen lämmönvaihtimen kautta.

lämpöpumppu on yksinkertaisesti takaperin toimiva ilmastointilaite. Puristetun työnesteen lämpöä käytetään rakennuksen lämmittämiseen. Sen jälkeen se siirtyy ulos, missä se laajenee ja kylmenee, jolloin se voi imeä lämpöä ulkoilmasta, joka talvellakin on yleensä lämpimämpää kuin kylmä työaine.

maalämpö-tai maalämpö-ilmastointi-ja lämpöpumppujärjestelmissä käytetään pitkiä U: n muotoisia putkia syvissä kaivoissa tai joukkoa vaakasuoria putkia, jotka on haudattu laajalle alueelle, jonka kautta työneste kiertää ja lämpö siirtyy maahan tai sieltä pois. Muissa järjestelmissä käytetään jokea tai merivettä työnesteen lämmittämiseen tai jäähdyttämiseen.

termodynamiikan ensimmäisen lain mukaan lämpö on yksi energian muoto, ja termodynaamisiin prosesseihin sovelletaan siksi energian säilymisen periaatetta. Tämä tarkoittaa, että lämpöenergiaa ei voida luoda tai tuhota. Sitä voidaan kuitenkin siirtää paikasta toiseen ja muuntaa toisiin energiamuotoihin. Termodynamiikka on fysiikan haara, joka käsittelee lämmön ja muiden energiamuotojen välisiä suhteita. Se kuvaa erityisesti sitä, miten lämpöenergia muuntuu…

termodynamiikan ensimmäisen lain mukaan lämpö on yksi energian muoto, ja termodynaamisiin prosesseihin sovelletaan siksi energian säilymisen periaatetta. Tämä tarkoittaa, että lämpöenergiaa ei voida luoda tai tuhota. Sitä voidaan kuitenkin siirtää paikasta toiseen ja muuntaa toisiin energiamuotoihin. Termodynamiikka on fysiikan haara, joka käsittelee lämmön ja muiden energiamuotojen välisiä suhteita. Se kuvaa erityisesti sitä, miten lämpöenergia muuntuu…

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista.