Care este prima lege a termodinamicii?

Prima Lege a termodinamicii afirmă că căldura este o formă de energie, iar procesele termodinamice sunt, prin urmare, supuse principiului conservării energiei. Aceasta înseamnă că energia termică nu poate fi creată sau distrusă. Cu toate acestea, poate fi transferat dintr-o locație în alta și transformat în și din alte forme de energie.

Termodinamica este ramura fizicii care se ocupă de relațiile dintre căldură și alte forme de energie. În special, descrie modul în care energia termică este transformată în și din alte forme de energie și modul în care afectează materia. Principiile fundamentale ale termodinamicii sunt exprimate în patru legi.

„prima lege spune că energia internă a unui sistem trebuie să fie egală cu munca care se face pe sistem, plus sau minus căldura care curge în sau din sistem și orice altă lucrare care se face pe sistem”, a spus saibal Mitra, profesor de fizică la Universitatea de Stat din Missouri. „Deci, este o retratare a conservării energiei.”

Mitra a continuat: „schimbarea energiei interne a unui sistem este suma tuturor intrărilor și ieșirilor de energie către și de la sistem în mod similar cu modul în care toate depunerile și retragerile pe care le faceți determină modificările soldului bancar.”Acest lucru este exprimat matematic ca: ZQUU = Q-W, unde ZQUU este schimbarea energiei interne, Q este căldura adăugată sistemului și W este munca făcută de sistem.

Istorie

oamenii de știință de la sfârșitul secolului 18 și începutul secolului 19 au aderat la teoria calorică, propusă pentru prima dată de Antoine Lavoisier în 1783 și susținută în continuare de lucrarea lui Sadi Carnot în 1824, potrivit American Physical Society. Teoria calorică a tratat căldura ca un fel de fluid care curgea în mod natural din regiunile calde în cele reci, la fel cum apa curge din locuri înalte în locuri joase. Când acest fluid caloric curgea dintr-o regiune fierbinte într-o regiune rece, ar putea fi transformat în energie cinetică și făcut să funcționeze la fel de mult ca apa care cade ar putea conduce o roată de apă. Abia după ce Rudolph Clausius a publicat „teoria mecanică a căldurii” în 1879, teoria calorică a fost în cele din urmă oprită.

sistemele termodinamice

energia poate fi împărțită în două părți, potrivit lui David McKee, profesor de fizică la Missouri Southern State University. Una este contribuția noastră macroscopică la scară umană, cum ar fi un piston care se mișcă și împinge pe un sistem de gaz. Dimpotrivă, lucrurile se întâmplă la o scară foarte mică, unde nu putem urmări contribuțiile individuale.

McKee explică: „când pun două mostre de metal unul împotriva celuilalt, iar atomii se învârt în jurul graniței, și doi atomi SAR unul în celălalt, iar unul dintre ei se desprinde mai repede decât celălalt, nu-l pot urmări. Se întâmplă la o scară de timp foarte mică și la o distanță foarte mică și se întâmplă de multe, multe ori pe secundă. Deci, împărțim tot transferul de energie în două grupuri: lucrurile pe care le vom urmări și lucrurile pe care nu le vom urmări. Ultima dintre acestea este ceea ce numim căldură.”

sistemele termodinamice sunt în general considerate ca fiind deschise, închise sau izolate. Potrivit Universității din California, Davis, un sistem deschis schimbă liber energia și materia cu împrejurimile sale; un sistem închis schimbă energia, dar nu contează cu împrejurimile sale; iar un sistem izolat nu schimbă energie sau materie cu împrejurimile sale. De exemplu, o oală cu supă clocotită primește energie din aragaz, radiază căldură din tigaie și emite materie sub formă de abur, care transportă și energia termică. Acesta ar fi un sistem deschis. Dacă punem un capac strâns pe oală, acesta ar radia în continuare energie termică, dar nu ar mai emite materie sub formă de abur. Acesta ar fi un sistem închis. Cu toate acestea, dacă ar fi să turnăm supa într-o sticlă termos perfect izolată și să sigilăm capacul, nu ar exista energie sau materie care să intre sau să iasă din sistem. Acesta ar fi un sistem izolat.

în practică, însă, sistemele perfect izolate nu pot exista. Toate sistemele transferă energie în mediul lor prin radiații, indiferent cât de bine sunt izolate. Supa din termos va rămâne fierbinte doar câteva ore și va ajunge la temperatura camerei până a doua zi. Într-un alt exemplu, stelele pitice albe, rămășițele fierbinți ale stelelor arse care nu mai produc energie, pot fi izolate de ani-lumină de vid aproape perfect în spațiul interstelar, dar în cele din urmă se vor răci de la câteva zeci de mii de grade la aproape zero absolut din cauza pierderii de energie prin radiații. Deși acest proces durează mai mult decât epoca actuală a universului, nu există nici o oprire.

Motoare Termice

cea mai comună aplicație practică a primei legi este motorul termic. Motoarele termice transformă energia termică în energie mecanică și invers. Majoritatea motoarelor termice se încadrează în categoria sistemelor deschise. Principiul de bază al unui motor termic exploatează relațiile dintre căldură, volum și presiune a unui fluid de lucru. Acest fluid este de obicei un gaz, dar în unele cazuri poate suferi modificări de fază de la gaz la lichid și înapoi la un gaz în timpul unui ciclu.

când gazul este încălzit, acesta se extinde; cu toate acestea, atunci când acel gaz este limitat, crește presiunea. Dacă peretele inferior al camerei de închidere este partea superioară a unui piston mobil, această presiune exercită o forță pe suprafața pistonului, determinând deplasarea acestuia în jos. Această mișcare poate fi apoi valorificată pentru a face lucrări egale cu forța totală aplicată în partea superioară a pistonului de ori distanța pe care pistonul o mișcă.

există numeroase variații ale motorului termic de bază. De exemplu, motoarele cu aburi se bazează pe arderea externă pentru a încălzi un rezervor de cazan care conține fluidul de lucru, de obicei apă. Apa este transformată în abur, iar presiunea este apoi utilizată pentru a conduce un piston care transformă energia termică în energie mecanică. Cu toate acestea, motoarele auto folosesc combustie interna, unde combustibilul lichid este vaporizat, amestecat cu aer și aprins în interiorul unui cilindru deasupra unui piston mobil care îl conduce în jos.

frigiderele, aparatele de aer condiționat și pompele de căldură

frigiderele și pompele de căldură sunt motoare termice care transformă energia mecanică în căldură. Cele mai multe dintre acestea se încadrează în categoria sistemelor închise. Când un gaz este comprimat, temperatura acestuia crește. Acest gaz fierbinte poate transfera apoi căldura în mediul înconjurător. Apoi, când gazul comprimat este lăsat să se extindă, temperatura sa devine mai rece decât era înainte de a fi comprimat, deoarece o parte din energia sa termică a fost îndepărtată în timpul ciclului fierbinte. Acest gaz rece poate absorbi apoi energia termică din mediul său. Acesta este principalul lucru din spatele unui aparat de aer condiționat. Aparatele de aer condiționat nu produc de fapt frig; elimină căldura. Fluidul de lucru este transferat în aer liber printr-o pompă mecanică unde este încălzit prin compresie. Apoi, transferă căldura în mediul exterior, de obicei printr-un schimbător de căldură răcit cu aer. Apoi, este adus înapoi în interior, unde este lăsat să se extindă și să se răcească, astfel încât să poată absorbi căldura din aerul interior printr-un alt schimbător de căldură.

o pompă de căldură este pur și simplu un aparat de aer condiționat care funcționează în sens invers. Căldura din fluidul de lucru comprimat este utilizată pentru încălzirea clădirii. Apoi este transferat în afara locului în care se extinde și devine rece, permițându-i astfel să absoarbă căldura din aerul exterior, care chiar și iarna este de obicei mai cald decât fluidul de lucru rece.

sistemele de climatizare și pompe de căldură geotermale sau de la sol utilizează tuburi lungi în formă de U în puțuri adânci sau o serie de tuburi orizontale îngropate într-o zonă mare prin care fluidul de lucru este circulat și căldura este transferată către sau de pe pământ. Alte sisteme folosesc râuri sau apă oceanică pentru a încălzi sau răci fluidul de lucru.

Prima Lege a termodinamicii afirmă că căldura este o formă de energie, iar procesele termodinamice sunt, prin urmare, supuse principiului conservării energiei. Aceasta înseamnă că energia termică nu poate fi creată sau distrusă. Cu toate acestea, poate fi transferat dintr-o locație în alta și transformat în și din alte forme de energie. Termodinamica este ramura…

Prima Lege a termodinamicii afirmă că căldura este o formă de energie, iar procesele termodinamice sunt, prin urmare, supuse principiului conservării energiei. Aceasta înseamnă că energia termică nu poate fi creată sau distrusă. Cu toate acestea, poate fi transferat dintr-o locație în alta și transformat în și din alte forme de energie. Termodinamica este ramura…

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată.