Jakie jest pierwsze prawo termodynamiki?

pierwsze prawo termodynamiki mówi, że ciepło jest formą energii, a procesy termodynamiczne podlegają zatem zasadzie zachowania energii. Oznacza to, że energii cieplnej nie można wytworzyć ani zniszczyć. Można go jednak przenosić z jednego miejsca do drugiego i przekształcać w inne formy energii.

Termodynamika jest gałęzią fizyki, która zajmuje się związkami między ciepłem a innymi formami energii. W szczególności opisuje, w jaki sposób energia cieplna jest przekształcana w inne formy energii i jak wpływa na materię. Podstawowe zasady termodynamiki wyrażone są w czterech prawach.

„pierwsze prawo mówi, że energia wewnętrzna systemu musi być równa pracy wykonywanej w systemie, plus lub minus ciepło, które przepływa do systemu lub z niego wychodzi, i każdej innej pracy wykonywanej w systemie”, powiedział Saibal Mitra, profesor fizyki na Missouri State University. „Jest to więc przywrócenie zachowania energii.”

Mitra kontynuuje, ” zmiana energii wewnętrznej systemu jest sumą wszystkich wejść i wyjść energii do iz systemu, podobnie jak wszystkie wpłaty i wypłaty, które dokonujesz, określają zmiany w saldzie banku.”Jest to wyrażone matematycznie jako: ΔU = Q – W, gdzie ΔU to zmiana energii wewnętrznej, Q to ciepło dodawane do systemu, a W to praca wykonywana przez system.

Historia

naukowcy pod koniec XVIII i na początku XIX wieku stosowali się do teorii kalorycznej, zaproponowanej po raz pierwszy przez Antoine ’ a Lavoisiera w 1783 roku, a następnie wzmocnionej przez prace Sadiego Carnota w 1824 roku, według Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego. Teoria kaloryczna traktowała ciepło jako rodzaj płynu, który naturalnie płynął z regionów gorących do zimnych, podobnie jak woda przepływa z miejsc wysokich do niskich. Gdy ten płyn kaloryczny płynął z gorącego do zimnego regionu, mógł zostać przekształcony w energię kinetyczną i wykonany tak, aby działał tak, jak spadająca woda może napędzać koło wodne. Dopiero Rudolph Clausius opublikował „the Mechanical Theory of Heat” w 1879 roku, teoria kalorii została ostatecznie zakończona.

układy termodynamiczne

energię można podzielić na dwie części, według Davida McKee, profesora fizyki na Missouri Southern State University. Jednym z nich jest nasz makroskopowy wkład w skali człowieka, taki jak tłok poruszający się i naciskający na system gazu. I odwrotnie, rzeczy dzieją się na bardzo małą skalę, gdzie nie możemy śledzić poszczególnych wkładów.

McKee wyjaśnia: „kiedy kładę dwie próbki metalu przeciwko sobie, a Atomy grzechoczą na granicy, a dwa atomy odbijają się od siebie, a jeden z nich odpada szybciej niż drugi, nie mogę go śledzić. Dzieje się to w bardzo małej skali czasowej i na bardzo małej odległości, i zdarza się wiele, wiele razy na sekundę. Więc po prostu dzielimy wszystkie transfery energii na dwie grupy: rzeczy, które będziemy śledzić, i rzeczy, których nie będziemy śledzić. To drugie z nich nazywamy ciepłem.”

układy termodynamiczne są ogólnie uważane za otwarte, zamknięte lub izolowane. Według University of California, Davis, otwarty system swobodnie wymienia energię i materię ze swoim otoczeniem; zamknięty system wymienia energię, ale nie materię ze swoim otoczeniem; a odizolowany system nie wymienia energii ani materii ze swoim otoczeniem. PrzykĹ 'adowo, garnek gotujÄ … cej siÄ ™ zupy otrzymuje energiÄ ™ z pieca, wypromieniowuje ciepĹ’ o z patelni, oraz emituje materiÄ ™ w postaci pary, ktĂłra teĹĽ odprowadza energiÄ ™ cieplnÄ…. To byłby otwarty system. Jeśli założymy szczelną pokrywkę na garnek, nadal będzie promieniował energią cieplną, ale nie będzie już emitował materii w postaci pary. To byłby zamknięty system. Gdyby jednak wlać zupę do doskonale izolowanej butelki z termosem i zamknąć pokrywę, nie byłoby energii ani materii wchodzącej do systemu lub wychodzącej z niego. To byłby odizolowany system.

w praktyce jednak idealnie odizolowane systemy nie mogą istnieć. Wszystkie systemy przekazują energię do swojego środowiska poprzez promieniowanie, bez względu na to, jak dobrze są izolowane. Zupa w termosie pozostanie gorąca tylko przez kilka godzin i osiągnie temperaturę pokojową następnego dnia. W innym przykładzie, białe karły, gorące pozostałości spalonych gwiazd, które nie wytwarzają już energii, mogą być izolowane przez lata świetlne prawie idealnej próżni w przestrzeni międzygwiezdnej, ale ostatecznie ostygną z kilkudziesięciu tysięcy stopni do niemal zera absolutnego z powodu utraty energii przez promieniowanie. Chociaż proces ten trwa dłużej niż obecny wiek Wszechświata, nie można go zatrzymać.

silniki cieplne

najczęstszym praktycznym zastosowaniem pierwszego prawa jest silnik cieplny. Silniki cieplne przekształcają energię cieplną w energię mechaniczną i odwrotnie. Większość silników cieplnych należy do kategorii układów otwartych. Podstawowa zasada silnika cieplnego wykorzystuje zależności między ciepłem, objętością i ciśnieniem płynu roboczego. Ciecz ta jest zazwyczaj gazem, ale w niektórych przypadkach może ulegać zmianom fazowym z gazu do cieczy iz powrotem do gazu podczas cyklu.

gdy gaz jest podgrzewany, rozszerza się; jednak, gdy gaz jest zamknięty, zwiększa ciśnienie. Jeśli dolna ściana Komory zamykającej jest górną częścią ruchomego tłoka, ciśnienie to wywiera siłę na powierzchnię tłoka, powodując jego przesunięcie w dół. Ruch ten można następnie wykorzystać do wykonania pracy równej całkowitej sile przyłożonej do górnej części tłoka razy odległość, jaką porusza się tłok.

istnieje wiele odmian podstawowego silnika cieplnego. Na przykład silniki parowe wykorzystują spalanie zewnętrzne do ogrzewania zbiornika kotła zawierającego płyn roboczy, zazwyczaj wodę. Woda jest przekształcana w parę, a ciśnienie jest następnie wykorzystywane do napędzania tłoka, który przekształca energię cieplną w energię mechaniczną. Silniki samochodowe wykorzystują jednak spaliny wewnętrzne, w których paliwo ciekłe jest odparowywane, miesza się z powietrzem i zapala się wewnątrz cylindra nad ruchomym tłokiem napędzającym go w dół.

chłodziarki, klimatyzatory i pompy ciepła

chłodziarki i pompy ciepła są silnikami cieplnymi, które przetwarzają energię mechaniczną na ciepło. Większość z nich należy do kategorii systemów zamkniętych. Gdy gaz jest sprężony, jego temperatura wzrasta. Ten gorący gaz może następnie przenosić ciepło do otaczającego go środowiska. Następnie, gdy sprężony gaz może się rozszerzyć, jego temperatura staje się zimniejsza niż przed sprężeniem, ponieważ część jego energii cieplnej została usunięta podczas cyklu gorącego. Ten zimny gaz może następnie absorbować energię cieplną ze swojego otoczenia. To jest dyrektor pracujący za klimatyzatorem. Klimatyzatory w rzeczywistości nie wytwarzają zimna, usuwają ciepło. Płyn roboczy jest przenoszony na zewnątrz przez pompę mechaniczną, gdzie jest podgrzewany przez sprężanie. Następnie przenosi to ciepło do środowiska zewnętrznego, zwykle za pośrednictwem chłodzonego powietrzem wymiennika ciepła. Następnie jest przenoszony z powrotem do pomieszczeń, gdzie może się rozszerzać i schładzać, aby mógł absorbować ciepło z powietrza wewnętrznego przez inny wymiennik ciepła.

pompa ciepła to po prostu Klimatyzator działający w odwrotnym kierunku. Ciepło ze sprężonego płynu roboczego jest wykorzystywane do ogrzania budynku. Następnie jest przenoszony na zewnątrz, gdzie rozszerza się i staje się zimny, dzięki czemu może absorbować ciepło z powietrza zewnętrznego, które nawet w zimie jest zwykle cieplejsze niż zimny płyn roboczy.

systemy klimatyzacji geotermalnej lub naziemnej i pomp ciepła wykorzystują długie rury w kształcie litery U w głębokich studniach lub szereg poziomych rur zakopanych na dużym obszarze, przez który krąży płyn roboczy, a ciepło jest przenoszone do lub z ziemi. Inne systemy wykorzystują rzeki lub wodę oceaniczną do podgrzewania lub chłodzenia płynu roboczego.

pierwsze prawo termodynamiki mówi, że ciepło jest formą energii, a procesy termodynamiczne podlegają zatem zasadzie zachowania energii. Oznacza to, że energii cieplnej nie można wytworzyć ani zniszczyć. Można go jednak przenosić z jednego miejsca do drugiego i przekształcać w inne formy energii. Termodynamika jest gałęzią fizyki, która zajmuje się związkami między ciepłem a innymi formami…

pierwsze prawo termodynamiki mówi, że ciepło jest formą energii, a procesy termodynamiczne podlegają zatem zasadzie zachowania energii. Oznacza to, że energii cieplnej nie można wytworzyć ani zniszczyć. Można go jednak przenosić z jednego miejsca do drugiego i przekształcać w inne formy energii. Termodynamika jest gałęzią fizyki, która zajmuje się związkami między ciepłem a innymi formami…

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany.