Termodünaamika esimene seadus: energia säilimine ja tähendus

Termodünaamika esimene seadus: energia säilimine ja muundumine — selge ülevaade, miks energiat ei saa luua ega hävitada ning kuidas see juhib töö tegemist.

Termodünaamika esimene seadus ütleb, et energiat ei saa luua ega hävitada, vaid see muundub ühest vormist teise. See on energia säilimise põhimõte: kõik protsessid annavad energia ühte või teise vormi, näiteks muundub energia toidust liikumiseks nagu treenimisel. Energiat ei kao — see lihtsalt muudab oma vormi. Seetõttu on võimatu ehitada masinat, mis toodaks ilma kütuse või muu ressursita pidevalt tööd (nn igavese liikumise esimene kategooria on füüsikaliselt võimatu).

Klassikalises mehaanikas kirjeldatakse energiat tihti vormidena nagu soojus, valgus, kineetiline (liikumisenergia) või potentsiaalne energia. Kaasaegses füüsikas tuleb arvesse, et mass ise on energiavorm (E = m c²), nii et mass ja energia on omavahel seotud, kuid praktilises termodünaamikas käsitletakse endiselt erinevaid energiavorme ja nende vahetusi.

Seaduse matemaatiline vorm

Termodünaamika esimene seadus avaldub tavaliselt süsteemi siseenergia U muutusena:

ΔU = Q − W, kus Q on süsteemi juurde antud soojuse hulk ja W on süsteemi poolt tehtud töö.

See tähendab, et siseenergia suureneb, kui süsteemile antakse soojust või kui sellele tehakse tööd. Märkus: mõnes allikas on tööl teine märgis (W on töö, mida süsteemile tehakse), seega tuleb alati kontrollida kasutatavat signatuurikonventsiooni. Diferentsiaalkujuliselt kirjutatakse sageli dU = δQ − δW, kus δ tähistab, et δQ ja δW ei ole täpsed differentiaalid (need sõltuvad protsessist).

Mida tähendavad Q, W ja U?

U (siseenergia) — süsteemi mikroskoopiliste osakeste (atomite, molekulide) keskmine energia, mis sisaldab kineetilist ja potentsiaalset komponenti, keemilist energiat jms.
Q (soojus) — energiaülekanne temperatuuri erinevuse tõttu; soojust ei ole süsteemi omadus, vaid protsessiväli.
W (töö) — energiaülekanne mehaaniliste, elektriliste jm jõudude kaudu (näiteks gaasi paisumisel tekkinud paisetöö).

Süsteemi tüübid: suletud vs avatud

Esimene seadus kehtib üldiselt kõigi süsteemide kohta, kuid selle matemaatiline vorm ja tõlgendus sõltuvad, kas süsteem on:

Suletud süsteem — aine hulk püsib konstantne; energia võib süsteemile juurde tulla või minna soojuse ja töö abil (siin kehtib otse ΔU = Q − W).
Avatud süsteem — mass võib siseneda või väljumine; energiabilanss võtab arvesse massivoo entalpiat ja võimalikke kineetilisi/potentsiaalseid energiakomponente. Tööstusliku protsessi kirjeldamisel kasutatakse sageli entalpiat H.

Praktilised näited

Kui gaas paisub silindris ja teeb kolbile tööd, väheneb gaasi siseenergia või selle temperatuuri võib muuta, olenevalt soojusvahetusest. Töö ja soojuse vahe määrab ΔU.
Bensiinimootori puhul muundub keemiline energia kuumutamisel ja plahvatamisel mehaaniliseks tööks ning soojuseks; kogu protsessi energiabahk säilib.
Bioloogias muundavad organismid toidust saadud keemilise energia tööks ja soojuseks; siin kehtib sama säilimise printsiip.

Piirangud ja seosed teiste seadustega

Esimene seadus ei ütle midagi protsesside suunast või sellest, kas protsess on iseeneslik — selle kohta annab teavet teise seaduse orientatsioon (entroopia suurenemine). Esimene seadus ka välistab igavese liikumise esimese tüübi (seadme, mis loob energiat tühipõhjast), kuid ei välista praktilisi kaotusi ega piiranguid, mis tulenevad näiteks hõõrdumisest või soojuskadu.

Mõned tähelepanekud ja kokkuvõte

Termodünaamika esimene seadus on põhimõte energia konservatsioonist eri vormides ja protsessides.
Matemaatiliselt väljendub see siseenergia muutusena ΔU = Q − W (või erikokkuleppel teisiti märgistatud kujul).
Kaasaegne füüsika lisab, et mass on üks energiavormidest (E = m c²), kuid igapäevases termodünaamikas töödeldakse energiat mitme vormina (soojus, töö, keemiline energia jm).
Seadusel on laialdased rakendused inseneriteadustes, keemias, bioloogias ning energiakasutuse analüüsis.

Ajalugu

James Prescott Joule oli esimene inimene, kes avastas katsetega, et soojus ja töö on muundatavad.

Esimese termodünaamika esimese seaduse selgesõnalise avalduse esitas Rudolf Clausius 1850. aastal: "On olemas olekufunktsioon E, mida nimetatakse "energiaks" ja mille diferentsiaal on võrdne adiabaatilise protsessi käigus ümbritseva keskkonnaga vahetatud tööga."

Termodünaamika ja tehnika

Termodünaamikas ja tehnikas on loomulik mõelda süsteemist kui soojusmootorist, mis teeb tööd ümbritsevale keskkonnale, ning väita, et kütmisel lisanduv koguenergia on võrdne sisemise energia suurenemise ja süsteemi poolt tehtud töö summa. Seega δ W {\displaystyle \delta W} $\delta W$ on energia hulk, mille süsteem kaotab tänu süsteemi poolt ümbritsevale keskkonnale tehtavale tööle. Termodünaamilisetsükli ajal, mil mootor teeb tööd, on δ W {\displaystyle \delta W} $\delta W$ positiivne, kuid alati on tsükli osa, kus δ W {\displaystyle \delta W} $\delta W$ on negatiivne, nt kui töögaas surutakse kokku. Kui δ W {\displaystyle \delta W} $\delta W$ kujutab süsteemi poolt tehtud tööd, siis kirjutatakse esimene seadus:

d U = δ Q - δ W {\displaystyle \mathrm {d} U=\delta Q-\delta W\,} U=\delta Q-\delta W\,} $\mathrm {d} U=\delta Q-\delta W\,$

Inimesed ei ole ühel meelel, kas energia on positiivne või negatiivne arv. Nii et δ Q {\displaystyle \delta Q} $\delta Q$ on soojusvoog süsteemist välja ja δ W {\displaystyle \delta W} $\delta W$ on töö süsteemi sisse:

d U = - δ Q + δ W {\displaystyle \mathrm {d} U=-\delta Q+\delta W\,} $\mathrm {d} U=-\delta Q+\delta W\,$

Selle mitmetähenduslikkuse tõttu on väga oluline, et igas esimese seadusega seotud arutelus oleks selgesõnaliselt kindlaks määratud kasutatav märgikonventsioon.

dU = siseenergia muutus

Q = soojus

W = töö

Seotud leheküljed

Termodünaamika teine seadus

Küsimused ja vastused

K: Mis on termodünaamika esimene seadus?

V: Termodünaamika esimene seadus on, et energiat ei saa luua ega hävitada; see võib muutuda ainult ühest vormist teise.

K: Mis on energia säilimise põhimõte?

V: Energia säilimise põhimõte tähendab, et kõik, mis kasutab energiat, muudab energiat ühest energialiigist teise.

K: Kas perpetuum mobile võib kunagi eksisteerida?

V: Ei, igiliikurid ei saa kunagi eksisteerida, sest see rikuks füüsika põhiseadus, mis ütleb, et energiat ei saa luua ega hävitada.

K: Millised on näited energia vormidest klassikalises mehaanikas?

V: Klassikalises mehaanikas on näiteks soojus, valgus, kineetiline (liikumine) või potentsiaalne energia.

K: Mitu liiki energiat on tänapäeva füüsikas?

V: Kaasaegses füüsikas arvatakse, et energia liike on ainult kaks - mass ja kineetiline energia, kuigi see ei pruugi olla abiks neile, kes ei ole kursis keerukama füüsikaga.

K: Kas universumi koguenergia on konstantne?

V: Jah, universumi (või mis tahes suletud süsteemi) koguenergia on konstant. Siiski võib energiat kanda üle universumi ühest osast teise.

K: Milline on teadlaste poolt kõige sagedamini kasutatav termodünaamika esimese seaduse sõnastus?

V: Teadlaste poolt kasutatav termodünaamika esimese seaduse kõige tavalisem sõnastus on, et energiat ei saa luua ega hävitada; seda saab ainult üle kanda või muundada ühest vormist teise.