Wat Is de eerste wet van de thermodynamica?

de eerste wet van de thermodynamica stelt dat warmte een vorm van energie is, en thermodynamische processen zijn daarom onderworpen aan het principe van energiebesparing. Dit betekent dat warmte-energie niet kan worden gecreëerd of vernietigd. Het kan echter van de ene locatie naar de andere worden overgebracht en van en naar andere vormen van energie worden omgezet.

thermodynamica is de tak van de fysica die zich bezighoudt met de relaties tussen warmte en andere vormen van energie. In het bijzonder beschrijft het hoe thermische energie wordt omgezet naar en van andere vormen van energie en hoe het materie beïnvloedt. De fundamentele principes van de thermodynamica worden uitgedrukt in vier wetten.”De eerste wet zegt dat de interne energie van een systeem gelijk moet zijn aan het werk dat aan het systeem wordt gedaan, plus of minus de warmte die in of uit het systeem stroomt en elk ander werk dat aan het systeem wordt gedaan,” zei saibal Mitra, een professor in de natuurkunde aan de Missouri State University. “Dus, het is een herformulering van het behoud van energie.”

Mitra vervolgde: “de verandering in interne energie van een systeem is de som van alle energie-inputs en-outputs van en naar het systeem, vergelijkbaar met hoe alle stortingen en opnames die u doet de veranderingen in uw banksaldo bepalen.”Dit wordt wiskundig uitgedrukt als: ΔU = Q-W, waarbij ΔU de verandering in de interne energie is, Q de warmte die aan het systeem wordt toegevoegd, en W het werk van het systeem. Wetenschappers in de late 18e en vroege 19e eeuw hielden zich aan de calorie-theorie, voor het eerst voorgesteld door Antoine Lavoisier in 1783, en verder ondersteund door het werk van Sadi Carnot in 1824, volgens de American Physical Society. De calorietheorie behandelde warmte als een soort vloeistof die van nature van warme naar koude gebieden stroomde, net zoals water van hoge naar lage plaatsen stroomt. Wanneer deze calorische vloeistof stroomde van een warm naar een koud gebied, kon het worden omgezet in kinetische energie en gemaakt om werk te doen zo veel als vallend water een waterrad zou kunnen rijden. Pas toen Rudolph Clausius “the Mechanical Theory of Heat” in 1879 publiceerde, werd de calorische theorie definitief tot rust gebracht. Thermodynamische systemen

energie kan in twee delen worden verdeeld, aldus David McKee, hoogleraar natuurkunde aan de Missouri Southern State University. Een daarvan is onze macroscopische bijdrage op menselijke schaal, zoals een zuiger die beweegt en duwt op een systeem van gas. Omgekeerd gebeuren dingen op zeer kleine schaal waarbij we de individuele bijdragen niet kunnen bijhouden.

McKee legt uit: “als ik twee stalen van metaal tegen elkaar leg, en de atomen rammelen rond aan de grens, en twee atomen stuiteren in elkaar, en een van de komt sneller af dan de andere, kan ik het niet bijhouden. Het gebeurt op een zeer kleine schaal en op een zeer kleine afstand, en het gebeurt vele, vele keren per seconde. Dus, we verdelen alle energieoverdracht in twee groepen: de dingen die we gaan bijhouden, en de dingen die we niet gaan bijhouden. Dit laatste is wat we warmte noemen.”

thermodynamische systemen worden over het algemeen beschouwd als open, gesloten of geïsoleerd. Volgens de Universiteit van Californië, Davis, wisselt een open systeem vrij energie en materie uit met zijn omgeving; een gesloten systeem wisselt energie uit, maar niet materie met zijn omgeving; en een geïsoleerd systeem wisselt geen energie of materie met zijn omgeving. Bijvoorbeeld, een pot kokende soep ontvangt energie uit de kachel, straalt warmte uit de pan en zendt materie uit in de vorm van stoom, die ook warmte-energie wegvoert. Dit zou een open systeem zijn. Als we een strak deksel op de pot zetten, zou het nog steeds warmte-energie uitstralen, maar het zou geen materie meer uitstoten in de vorm van stoom. Dit zou een gesloten systeem zijn. Als we de soep echter in een perfect geïsoleerde thermosfles gieten en het deksel afsluiten, zou er geen energie of materie in of uit het systeem komen. Dit zou een geïsoleerd systeem zijn.

in de praktijk kunnen echter geen perfect geïsoleerde systemen bestaan. Alle systemen brengen energie door straling naar hun omgeving, hoe goed geïsoleerd ze ook zijn. De soep in de thermoskan blijft maar een paar uur warm en zal de volgende dag op kamertemperatuur komen. In een ander voorbeeld, witte dwergsterren, de hete overblijfselen van uitgebrande sterren die geen energie meer produceren, kunnen worden geïsoleerd door lichtjaren van bijna perfect vacuüm in de interstellaire ruimte, maar ze zullen uiteindelijk afkoelen van enkele tienduizenden graden tot bijna absoluut nul als gevolg van energieverlies door straling. Hoewel dit proces langer duurt dan het huidige tijdperk van het universum, is er geen stoppen.

warmtemotoren

de meest voorkomende praktische toepassing van de eerste wet is de warmtemotor. Warmtemotoren zetten thermische energie om in mechanische energie en vice versa. De meeste warmtemotoren vallen in de categorie van open systemen. Het basisprincipe van een warmtemotor exploiteert de relaties tussen warmte, volume en druk van een werkvloeistof. Deze vloeistof is typisch een gas, maar in sommige gevallen kan faseveranderingen van gas aan vloeistof en terug aan een gas tijdens een cyclus ondergaan.

wanneer het gas wordt verwarmd, zet het uit; wanneer het gas echter wordt beperkt, neemt het de druk toe. Als de onderste wand van de opsluitkamer de bovenkant van een beweegbare zuiger is, oefent deze druk een kracht uit op het oppervlak van de zuiger waardoor deze naar beneden beweegt. Deze beweging kan dan worden ingezet om werk te doen gelijk aan de totale kracht die wordt uitgeoefend op de bovenkant van de zuiger maal de afstand die de zuiger beweegt.

er zijn talrijke variaties op de basiswarmtemotor. Bijvoorbeeld, stoommachines vertrouwen op externe verbranding om een ketel tank met de werkvloeistof, meestal water verwarmen. Het water wordt omgezet in stoom,en de druk wordt dan gebruikt om een zuiger die warmte-energie converteert naar mechanische energie rijden. Auto motoren, echter, gebruik interne verbranding, waar vloeibare brandstof wordt verdampt, gemengd met lucht en ontstoken in een cilinder boven een beweegbare zuiger rijden naar beneden.

koelkasten, airconditioners en warmtepompen

Koelkasten en warmtepompen zijn warmtemotoren die mechanische energie omzetten in warmte. De meeste hiervan vallen onder de categorie gesloten systemen. Wanneer een gas wordt gecomprimeerd, neemt de temperatuur toe. Dit hete gas kan dan warmte overbrengen naar zijn omgeving. Wanneer het gecomprimeerde gas dan mag uitzetten, wordt de temperatuur kouder dan voordat het werd gecomprimeerd omdat een deel van zijn warmte-energie werd verwijderd tijdens de hete cyclus. Dit koude gas kan dan warmte-energie uit zijn omgeving absorberen. Dit is de opdrachtgever achter een airconditioner. Airconditioners produceren eigenlijk geen kou, ze verwijderen warmte. De werkvloeistof wordt naar buiten gebracht door een mechanische pomp waar het wordt verwarmd door compressie. Vervolgens wordt die warmte overgebracht naar de buitenomgeving, meestal via een luchtgekoelde warmtewisselaar. Vervolgens wordt het terug naar binnen gebracht, waar het mag uitzetten en afkoelen, zodat het warmte uit de binnenlucht kan absorberen via een andere warmtewisselaar.

een warmtepomp is gewoon een achteruitrijdende airconditioner. De warmte van de samengeperste werkvloeistof wordt gebruikt om het gebouw te verwarmen. Het wordt vervolgens naar buiten overgebracht waar het uitzet en koud wordt, waardoor het warmte kan absorberen uit de buitenlucht, die zelfs in de winter meestal warmer is dan de koude werkvloeistof.

geothermische klimaatregelings-en warmtepompsystemen maken gebruik van lange U-vormige buizen in diepe putten of een reeks horizontale buizen begraven in een groot gebied waardoor de werkvloeistof circuleert en warmte naar of van de aarde wordt overgebracht. Andere systemen gebruiken rivieren of oceaanwater om de werkvloeistof te verwarmen of te koelen.

de eerste wet van de thermodynamica stelt dat warmte een vorm van energie is, en thermodynamische processen zijn daarom onderworpen aan het principe van energiebesparing. Dit betekent dat warmte-energie niet kan worden gecreëerd of vernietigd. Het kan echter van de ene locatie naar de andere worden overgebracht en van en naar andere vormen van energie…

de eerste wet van de thermodynamica stelt dat warmte een vorm van energie is, en thermodynamische processen zijn daarom onderworpen aan het principe van energiebesparing. Dit betekent dat warmte-energie niet kan worden gecreëerd of vernietigd. Het kan echter van de ene locatie naar de andere worden overgebracht en van en naar andere vormen van energie…

Geef een antwoord

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd.