Vad är termodynamikens första lag?

termodynamikens första lag säger att värme är en form av energi, och termodynamiska processer är därför föremål för principen om bevarande av energi. Detta innebär att värmeenergi inte kan skapas eller förstöras. Det kan dock överföras från en plats till en annan och omvandlas till och från andra former av energi.

termodynamik är den gren av fysiken som behandlar förhållandena mellan värme och andra former av energi. I synnerhet beskriver den hur termisk energi omvandlas till och från andra former av energi och hur den påverkar Materia. De grundläggande principerna för termodynamik uttrycks i fyra lagar.

”den första lagen säger att den inre energin i ett system måste vara lika med det arbete som görs på systemet, plus eller minus värmen som strömmar in eller ut ur systemet och allt annat arbete som görs på systemet”, säger Saibal Mitra, professor i fysik vid Missouri State University. ”Så det är en omräkning av bevarande av energi.”

Mitra fortsatte, ” förändringen i intern energi i ett system är summan av alla energiingångar och-utgångar till och från systemet på samma sätt som hur alla insättningar och uttag du gör bestämmer förändringarna i ditt banksaldo.”Detta uttrycks matematiskt som: ugu = Q-W, där ugu är förändringen i den inre energin, Q är värmen som läggs till systemet och W är det arbete som utförs av systemet.

historia

forskare i slutet av 18 och början av 19-talet följde kaloriteorin, först föreslagen av Antoine Lavoisier 1783, och ytterligare förstärkt av Sadi Carnots arbete 1824, enligt American Physical Society. Caloric theory behandlade värme som en slags vätska som naturligt flödade från heta till kalla områden, mycket som vatten strömmar från höga till låga platser. När denna kalorivätska flödade från en varm till en kall region, kunde den omvandlas till kinetisk energi och göras för att göra arbete mycket som fallande vatten kunde driva ett vattenhjul. Det var inte förrän Rudolph Clausius publicerade” the Mechanical Theory of Heat ” 1879 som kaloriteorin äntligen vilade.

termodynamiska system

energi kan delas in i två delar, enligt David McKee, professor i fysik vid Missouri Southern State University. En är vårt makroskopiska bidrag i mänsklig skala, till exempel en kolv som rör sig och trycker på ett system av gas. Omvänt händer saker i mycket liten skala där vi inte kan hålla reda på de enskilda bidragen.

McKee förklarar, ” När jag lägger två metallprover upp mot varandra, och atomerna skramlar runt vid gränsen, och två atomer studsar in i varandra, och en av de kommer snabbare än den andra, kan jag inte hålla reda på det. Det händer på en mycket liten tidsskala och ett mycket litet avstånd, och det händer många, många gånger per sekund. Så vi delar bara all energiöverföring i två grupper: de saker vi ska hålla reda på och de saker vi inte kommer att hålla reda på. Den senare av dessa är vad vi kallar värme.”

termodynamiska system anses allmänt vara öppna, stängda eller isolerade. Enligt University of California, Davis, ett öppet system utbyter fritt energi och materia med sin omgivning; ett slutet system utbyter energi men inte materia med sin omgivning; och ett isolerat system utbyter inte energi eller materia med sin omgivning. Till exempel får en kruka med kokande soppa energi från kaminen, utstrålar värme från pannan och avger materia i form av ånga, som också bär bort värmeenergi. Detta skulle vara ett öppet system. Om vi lägger ett tätt lock på potten skulle det fortfarande utstråla värmeenergi, men det skulle inte längre avge materia i form av ånga. Detta skulle vara ett slutet system. Men om vi skulle hälla soppan i en perfekt isolerad termosflaska och försegla locket, skulle det inte finnas någon energi eller materia som går in i eller ut ur systemet. Detta skulle vara ett isolerat system.

i praktiken kan dock helt isolerade system inte existera. Alla system överför energi till sin miljö genom strålning oavsett hur välisolerade de är. Soppan i termoserna blir bara varm i några timmar och når rumstemperatur nästa dag. I ett annat exempel kan vita dvärgstjärnor, de heta resterna av utbrända stjärnor som inte längre producerar energi, isoleras av ljusår med nästan perfekt vakuum i interstellärt utrymme, men de kommer så småningom att svalna från flera tiotusentals grader till nära absolut noll på grund av energiförlust genom strålning. Även om denna process tar längre tid än universums nuvarande ålder, finns det inget att stoppa det.

värmemotorer

den vanligaste praktiska tillämpningen av den första lagen är värmemotorn. Värmemotorer omvandlar termisk energi till mekanisk energi och vice versa. De flesta värmemotorer faller i kategorin öppna system. Den grundläggande principen för en värmemotor utnyttjar förhållandena mellan värme, volym och tryck hos en arbetsvätska. Denna vätska är vanligtvis en gas, men i vissa fall kan den genomgå fasförändringar från gas till vätska och tillbaka till en gas under en cykel.

när gasen värms upp expanderar den; men när den gasen är begränsad ökar den i tryck. Om inneslutningskammarens bottenvägg är toppen av en rörlig kolv, utövar detta tryck en kraft på kolvens yta som får den att röra sig nedåt. Denna rörelse kan sedan utnyttjas för att göra arbete lika med den totala kraften som appliceras på toppen av kolven gånger avståndet som kolven rör sig.

det finns många variationer på den grundläggande värmemotorn. Till exempel är ångmotorer beroende av extern förbränning för att värma en panntank som innehåller arbetsvätskan, vanligtvis vatten. Vattnet omvandlas till ånga och trycket används sedan för att driva en kolv som omvandlar värmeenergi till mekanisk energi. Bilmotorer använder emellertid förbränning, där flytande bränsle förångas, blandas med luft och antänds inuti en cylinder ovanför en rörlig kolv som driver den nedåt.

kylskåp, luftkonditioneringsapparater och värmepumpar

kylskåp och värmepumpar är värmemotorer som omvandlar mekanisk energi till värme. De flesta av dessa faller i kategorin slutna system. När en gas komprimeras ökar temperaturen. Denna heta gas kan sedan överföra värme till sin omgivande miljö. Då, när den komprimerade gasen får expandera, blir temperaturen kallare än den var innan den komprimerades eftersom en del av dess värmeenergi avlägsnades under den heta cykeln. Denna kalla gas kan sedan absorbera värmeenergi från sin miljö. Detta är den fungerande rektor bakom en luftkonditionering. Luftkonditioneringsapparater producerar faktiskt inte kyla; de tar bort värme. Arbetsvätskan överförs Utomhus av en mekanisk pump där den värms upp genom kompression. Därefter överför den värmen till utomhusmiljön, vanligtvis genom en luftkyld värmeväxlare. Sedan förs den tillbaka inomhus, där den får expandera och svalna så att den kan absorbera värme från inomhusluften genom en annan värmeväxlare.

en värmepump är helt enkelt en luftkonditionering som körs bakåt. Värmen från den komprimerade arbetsvätskan används för att värma byggnaden. Den överförs sedan utanför där den expanderar och blir kall, vilket gör att den kan absorbera värme från utomhusluften, vilket även på vintern vanligtvis är varmare än den kalla arbetsvätskan.

geotermisk eller markkälla luftkonditionering och värmepumpsystem använder långa U-formade rör i djupa brunnar eller en rad horisontella rör begravda i ett stort område genom vilket arbetsvätskan cirkuleras och värme överförs till eller från jorden. Andra system använder floder eller havsvatten för att värma eller kyla arbetsvätskan.

termodynamikens första lag säger att värme är en form av energi, och termodynamiska processer är därför föremål för principen om bevarande av energi. Detta innebär att värmeenergi inte kan skapas eller förstöras. Det kan dock överföras från en plats till en annan och omvandlas till och från andra former av energi. termodynamik är den gren…

termodynamikens första lag säger att värme är en form av energi, och termodynamiska processer är därför föremål för principen om bevarande av energi. Detta innebär att värmeenergi inte kan skapas eller förstöras. Det kan dock överföras från en plats till en annan och omvandlas till och från andra former av energi. termodynamik är den gren…

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte publiceras.