กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์: สูตรสมการตัวอย่าง - กายภาพ - 2025

กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ระบุว่าการเปลี่ยนแปลงใด ๆ ที่มีประสบการณ์โดยการใช้พลังงานของระบบมาจากกลไกการทำงานทำรวมทั้งความร้อนแลกเปลี่ยนกับสภาพแวดล้อม ไม่ว่าพวกมันจะอยู่นิ่งหรือเคลื่อนไหววัตถุ (ระบบ) จะมีพลังงานที่แตกต่างกันซึ่งสามารถเปลี่ยนจากคลาสหนึ่งไปยังอีกคลาสหนึ่งผ่านกระบวนการบางประเภท

หากระบบอยู่ในสภาวะนิ่งของห้องปฏิบัติการและพลังงานกลเป็น 0 แสดงว่ายังคงมีพลังงานภายในอยู่เนื่องจากอนุภาคที่ประกอบขึ้นเป็นองค์ประกอบมีการเคลื่อนไหวแบบสุ่มอย่างต่อเนื่อง

รูปที่ 1. เครื่องยนต์สันดาปภายในใช้กฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์ในการผลิตงาน ที่มา: Pixabay

การเคลื่อนที่แบบสุ่มของอนุภาคพร้อมกับปฏิสัมพันธ์ทางไฟฟ้าและในบางกรณีอนุภาคนิวเคลียร์ประกอบเป็นพลังงานภายในของระบบและเมื่อมันมีปฏิสัมพันธ์กับสิ่งแวดล้อมการเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายในจะเกิดขึ้น

มีหลายวิธีที่จะทำให้การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้เกิดขึ้น:

- ประการแรกคือระบบแลกเปลี่ยนความร้อนกับสิ่งแวดล้อม สิ่งนี้เกิดขึ้นเมื่อมีความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างทั้งสอง จากนั้นตัวที่ร้อนกว่าจะระบายความร้อนซึ่งเป็นวิธีการถ่ายเทพลังงานไปยังค่าที่เย็นที่สุดจนกว่าอุณหภูมิทั้งสองจะเท่ากันถึงสมดุลทางความร้อน

- โดยการดำเนินงานไม่ว่าระบบจะดำเนินการหรือตัวแทนภายนอกทำในระบบ

- การเพิ่มมวลให้กับระบบ (มวลเท่ากับพลังงาน)

ให้ U เป็นพลังงานภายในสมดุลจะเป็นΔU = U สุดท้าย - U เริ่มต้นดังนั้นจึงสะดวกในการกำหนดสัญญาณซึ่งตามเกณฑ์ IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) คือ:

- บวก Q และ W (+) เมื่อระบบได้รับความร้อนและทำงานให้เสร็จ (พลังงานจะถูกถ่ายโอน)

- Q และ W เชิงลบ (-) หากระบบให้ความร้อนและทำงานกับสิ่งแวดล้อม (ลดพลังงาน)

สูตรและสมการ

กฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์เป็นอีกวิธีหนึ่งในการระบุว่าพลังงานไม่ได้ถูกสร้างขึ้นหรือถูกทำลาย แต่ถูกเปลี่ยนจากประเภทหนึ่งไปเป็นอีกแบบหนึ่ง การทำเช่นนี้จะก่อให้เกิดความร้อนและการทำงานซึ่งสามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้ ในทางคณิตศาสตร์จะแสดงดังนี้:

ΔU = Q + W

ที่ไหน:

- ΔUคือการเปลี่ยนแปลงพลังงานของระบบที่กำหนดโดย: ΔU = พลังงานสุดท้าย - พลังงานเริ่มต้น = U _f - U _o

- Q คือการแลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างระบบและสิ่งแวดล้อม

- W คืองานที่ทำในระบบ

ในบางตำรากฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์ถูกนำเสนอดังนี้:

ΔU = Q - ว

นี่ไม่ได้หมายความว่าพวกเขาขัดแย้งกันหรือมีข้อผิดพลาด เนื่องจากงาน W ถูกกำหนดให้เป็นงานที่ทำโดยระบบแทนที่จะใช้งานที่ทำบนระบบเช่นเดียวกับในแนวทาง IUPAC

ด้วยเกณฑ์นี้กฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์จะระบุไว้ในลักษณะนี้:

เกณฑ์ทั้งสองจะให้ผลลัพธ์ที่ถูกต้อง

ข้อสังเกตที่สำคัญเกี่ยวกับกฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์

ทั้งความร้อนและการทำงานเป็นสองวิธีในการถ่ายเทพลังงานระหว่างระบบและสภาพแวดล้อม ปริมาณทั้งหมดที่เกี่ยวข้องมีเป็นหน่วยในระบบสากลจูลหรือจูลเรียกโดยย่อว่า J.

กฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์ให้ข้อมูลเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงของพลังงานไม่เกี่ยวกับค่าสัมบูรณ์ของพลังงานสุดท้ายหรือพลังงานเริ่มต้น บางคนอาจถือเป็น 0 ได้ด้วยซ้ำเพราะสิ่งที่นับได้คือความแตกต่างของค่า

ข้อสรุปที่สำคัญอีกประการหนึ่งคือทุกระบบที่แยกได้มีΔU = 0 เนื่องจากไม่สามารถแลกเปลี่ยนความร้อนกับสิ่งแวดล้อมได้และไม่อนุญาตให้ตัวแทนภายนอกทำงานกับมันดังนั้นพลังงานจึงคงที่ กระติกน้ำร้อนเพื่อให้กาแฟของคุณอุ่นเป็นค่าประมาณที่สมเหตุสมผล

ดังนั้นในระบบที่ไม่แยกต่างหากΔUจะแตกต่างจาก 0 เสมอ? ไม่จำเป็นว่าΔUสามารถเป็น 0 ได้หากตัวแปรของมันซึ่งโดยปกติคือความดันอุณหภูมิปริมาตรและจำนวนโมลผ่านวงจรที่ค่าเริ่มต้นและค่าสุดท้ายเหมือนกัน

ตัวอย่างเช่นในวัฏจักร Carnot พลังงานความร้อนทั้งหมดจะถูกแปลงเป็นงานที่ใช้งานได้เนื่องจากไม่คำนึงถึงการสูญเสียแรงเสียดทานหรือความหนืด

สำหรับ U พลังงานลึกลับของระบบเธอรวมถึง:

- พลังงานจลน์ของอนุภาคขณะเคลื่อนที่และสิ่งที่มาจากการสั่นสะเทือนและการหมุนของอะตอมและโมเลกุล

- พลังงานศักย์เนื่องจากปฏิสัมพันธ์ทางไฟฟ้าระหว่างอะตอมและโมเลกุล

- ปฏิสัมพันธ์ทั่วไปของนิวเคลียสอะตอมเช่นเดียวกับภายในดวงอาทิตย์

การประยุกต์ใช้งาน

กฎข้อแรกระบุว่าเป็นไปได้ที่จะผลิตความร้อนและทำงานโดยทำให้พลังงานภายในของระบบเปลี่ยนแปลง หนึ่งในแอปพลิเคชั่นที่ประสบความสำเร็จมากที่สุดคือเครื่องยนต์สันดาปภายในซึ่งมีปริมาณก๊าซจำนวนหนึ่งและใช้การขยายตัวในการทำงาน อีกโปรแกรมที่รู้จักกันดีคือเครื่องจักรไอน้ำ

เครื่องยนต์มักใช้ประโยชน์จากวัฏจักรหรือกระบวนการที่ระบบเริ่มต้นจากสภาวะสมดุลเริ่มต้นไปสู่สถานะสุดท้ายอีกสถานะหนึ่งเช่นเดียวกับสภาวะสมดุล หลายคนเกิดขึ้นภายใต้เงื่อนไขที่อำนวยความสะดวกในการคำนวณงานและความร้อนจากกฎหมายฉบับแรก

นี่คือเทมเพลตง่ายๆที่อธิบายสถานการณ์ทั่วไปในชีวิตประจำวัน กระบวนการที่เป็นภาพประกอบส่วนใหญ่ ได้แก่ อะเดียแบติก, ไอโซโคริก, ไอโซเทอร์มอล, กระบวนการไอโซแบริก, กระบวนการทางเดินปิดและการขยายอิสระ ในนั้นตัวแปรของระบบจะคงที่ดังนั้นกฎข้อแรกจึงมีรูปแบบเฉพาะ

กระบวนการ Isochoric

พวกเขาคือผู้ที่ปริมาตรของระบบคงที่ ดังนั้นจึงไม่มีการทำงานใด ๆ และด้วย W = 0 จะยังคงอยู่:

ΔU = Q

กระบวนการไอโซบาริก

ในกระบวนการเหล่านี้ความดันจะคงที่ งานที่ระบบทำเกิดจากการเปลี่ยนแปลงของระดับเสียง

สมมติว่าก๊าซถูกกักไว้ในภาชนะ เนื่องจากงาน W ถูกกำหนดให้เป็น:

การแทนที่แรงนี้ในนิพจน์สำหรับการทำงานผลลัพธ์:

แต่ผลิตภัณฑ์ A. Δlเท่ากับการเปลี่ยนแปลงระดับเสียงΔVโดยปล่อยให้งานเป็นดังนี้:

สำหรับกระบวนการไอโซบาริกกฎข้อแรกจะอยู่ในรูปแบบ:

ΔU = Q - p ΔV

กระบวนการไอโซเทอร์มอล

เป็นสิ่งที่เกิดขึ้นที่อุณหภูมิคงที่ สิ่งนี้สามารถเกิดขึ้นได้โดยการสัมผัสระบบกับอ่างเก็บความร้อนภายนอกและทำให้การแลกเปลี่ยนความร้อนเกิดขึ้นช้ามากเพื่อให้อุณหภูมิคงที่

ตัวอย่างเช่นความร้อนสามารถไหลจากที่กักเก็บน้ำร้อนเข้าสู่ระบบทำให้ระบบทำงานได้โดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงในΔU ดังนั้น:

Q + W = 0

กระบวนการอะเดียแบติก

ในกระบวนการอะเดียแบติกไม่มีการถ่ายเทพลังงานความร้อนดังนั้น Q = 0 และกฎข้อแรกจึงลดลงเป็นΔU = W สถานการณ์นี้สามารถเกิดขึ้นได้ในระบบที่แยกได้ดีและหมายความว่าการเปลี่ยนแปลงของพลังงานมาจากการทำงานที่ได้รับ ทำขึ้นตามอนุสัญญาปัจจุบัน (IUPAC)

อาจคิดว่าเนื่องจากไม่มีการถ่ายเทพลังงานความร้อนอุณหภูมิจะคงที่ แต่ก็ไม่ได้เป็นเช่นนั้นเสมอไป น่าแปลกที่การบีบอัดของก๊าซที่แยกได้ส่งผลให้อุณหภูมิเพิ่มขึ้นในขณะที่การขยายตัวของอะเดียแบติกอุณหภูมิจะลดลง

กระบวนการในเส้นทางปิดและการขยายฟรี

ในกระบวนการปิดเส้นทางระบบจะกลับสู่สถานะเดิมในตอนเริ่มต้นไม่ว่าจะเกิดอะไรขึ้นที่จุดกึ่งกลาง กระบวนการเหล่านี้ถูกกล่าวถึงมาก่อนเมื่อพูดถึงระบบที่ไม่แยก

ในพวกเขาΔU = 0 ดังนั้น Q = W หรือ Q = -W ขึ้นอยู่กับเกณฑ์สัญญาณที่นำมาใช้

กระบวนการปิดมีความสำคัญมากเนื่องจากเป็นรากฐานของเครื่องยนต์ระบายความร้อนเช่นเครื่องจักรไอน้ำ

สุดท้ายการขยายตัวแบบอิสระเป็นอุดมคติที่เกิดขึ้นในภาชนะที่หุ้มฉนวนความร้อนซึ่งมีก๊าซอยู่ ภาชนะมีสองช่องคั่นด้วยพาร์ติชันหรือเมมเบรนและก๊าซอยู่ในช่องใดช่องหนึ่ง

ปริมาตรของภาชนะจะเพิ่มขึ้นอย่างกะทันหันหากเมมเบรนแตกและก๊าซขยายตัว แต่ภาชนะนั้นไม่มีลูกสูบหรือวัตถุอื่นใดที่จะเคลื่อนที่ได้ ดังนั้นก๊าซจะไม่ทำงานในขณะที่มันขยายตัวและ W = 0 เนื่องจากเป็นฉนวนกันความร้อน Q = 0 และสรุปได้ทันทีว่าΔU = 0

ดังนั้นการขยายตัวแบบอิสระไม่ก่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในพลังงานของก๊าซ แต่ในทางตรงกันข้ามในขณะที่การขยายตัวนั้นไม่อยู่ในสภาวะสมดุล

ตัวอย่าง

- กระบวนการไอโซโคริกโดยทั่วไปคือการให้ความร้อนของก๊าซในภาชนะที่มีอากาศถ่ายเทและแข็งเช่นหม้ออัดแรงดันที่ไม่มีวาล์วไอเสีย ด้วยวิธีนี้ปริมาตรจะคงที่และถ้าเราใส่ภาชนะดังกล่าวสัมผัสกับร่างกายอื่น ๆ พลังงานภายในของก๊าซจะเปลี่ยนไปเนื่องจากการถ่ายเทความร้อนเนื่องจากการสัมผัสนี้เท่านั้น

- เครื่องระบายความร้อนทำวงจรที่พวกเขารับความร้อนจากถังเก็บความร้อนโดยแปลงเกือบทุกอย่างเป็นงานทิ้งส่วนหนึ่งไว้สำหรับการทำงานของตนเองและความร้อนส่วนเกินจะถูกทิ้งลงในถังที่เย็นกว่าซึ่งโดยทั่วไปแล้ว โดยรอบ

- การเตรียมซอสในหม้อที่ไม่มีฝาปิดเป็นตัวอย่างประจำวันของกระบวนการไอโซบาริกเนื่องจากการปรุงอาหารจะดำเนินการที่ความดันบรรยากาศและปริมาณของซอสจะลดลงเมื่อเวลาผ่านไปเมื่อของเหลวระเหย

- ก๊าซในอุดมคติที่เกิดกระบวนการความร้อนใต้พิภพทำให้ผลคูณของความดันและปริมาตรคงที่: P. ​​V = คงที่

- การเผาผลาญของสัตว์เลือดอุ่นช่วยให้พวกมันรักษาอุณหภูมิให้คงที่และดำเนินกระบวนการทางชีวภาพหลายอย่างโดยเสียพลังงานที่มีอยู่ในอาหาร

รูปที่ 2 นักกีฬาเช่นเครื่องระบายความร้อนใช้เชื้อเพลิงในการทำงานและส่วนเกินจะสูญเสียไปทางเหงื่อ ที่มา: Pixabay

แบบฝึกหัดที่แก้ไข

แบบฝึกหัด 1

ก๊าซถูกบีบอัดที่ความดันคงที่ 0.800 atm เพื่อให้ปริมาตรของมันแตกต่างกันไปตั้งแต่ 9.00 L ถึง 2.00 L ในกระบวนการนี้ก๊าซจะให้พลังงาน 400 J ผ่านความร้อน a) ค้นหางานที่ทำกับก๊าซและ b) คำนวณการเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายใน

แนวทางแก้ไข)

ในกระบวนการอะเดียแบติกจะมีการเติม P _o = P _fงานที่ทำกับก๊าซคือ W = P ΔVตามที่อธิบายไว้ในส่วนก่อนหน้านี้

จำเป็นต้องมีปัจจัยการแปลงต่อไปนี้:

ดังนั้น: 0.8 atm = 81.060 Pa และΔ V = 9 - 2 L = 7 L = 0.007 m ³

การแทนที่ค่าที่คุณได้รับ:

แนวทางแก้ไข b)

เมื่อระบบระบายความร้อน Q จะถูกกำหนดเครื่องหมาย - ดังนั้นกฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์จึงเป็นดังนี้:

ΔU = -400 J + 567.42 J = 167.42 J.

แบบฝึกหัด 2

เป็นที่รู้จักกันว่าพลังงานภายในของก๊าซ 500 J และเมื่อมันถูกบีบอัด adiabatically ปริมาณลดลง 100 ซม. 3 ถ้าความดันที่ใช้กับก๊าซในระหว่างการบีบอัดเท่ากับ 3.00 atm ให้คำนวณพลังงานภายในของก๊าซหลังจากการบีบอัดแบบอะเดียแบติก

สารละลาย

เนื่องจากคำสั่งแจ้งว่าการบีบอัดเป็นอะเดียแบติกจึงเป็นความจริงที่ Q = 0 และΔU = W จากนั้น:

ด้วยค่าเริ่มต้น U = 500 J.

ตามข้อมูลΔV = 100 cm ³ = 100 x 10 ^-6 m ³และ 3 atm = 303975 Pa ดังนั้น:

อ้างอิง

1. Bauer, W. 2011. Physics for Engineering and Sciences. เล่มที่ 1. Mc Graw Hill.
2. Cengel, Y. 2555. อุณหพลศาสตร์. รุ่น7 ^ma McGraw Hill
3. Figueroa, D. (2005). ซีรี่ส์: ฟิสิกส์สำหรับวิทยาศาสตร์และวิศวกรรม เล่ม 4. ของไหลและอุณหพลศาสตร์. แก้ไขโดย Douglas Figueroa (USB)
4. López, C. กฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์. ดึงมาจาก: culturacientifica.com.
5. Knight, R. 2017 Physics for Scientists and Engineering: a Strategy Approach. เพียร์สัน
6. Serway, R. , Vulle, C. 2011. ความรู้พื้นฐานทางฟิสิกส์. 9 ^na Ed. Cengage Learning.
7. มหาวิทยาลัยเซบีญ่า เครื่องระบายความร้อน. ดึงมาจาก: laplace.us.es.
8. Wikiwand. กระบวนการอะเดียแบติก. ดึงมาจาก: wikiwand.com.