Первый закон и внутренняя энергия

В физике термодинамика — это раздел науки, который занимается теплом, работой и формами энергии. Первый закон термодинамики и концепция внутренней энергии являются основными темами в этой области. Для студентов, изучающих эти концепции впервые, важно понимать их просто и ясно.

Первый закон термодинамики

Первый закон термодинамики, также называемый законом сохранения энергии, утверждает, что энергия не может быть создана или уничтожена, она может только преобразовываться из одной формы в другую. Этот принцип фундаментален, поскольку он устанавливает, что полная энергия в изолированной системе остается постоянной.

ΔU = Q - W

В этой формуле ΔU представляет изменение внутренней энергии системы, Q — это тепло, добавленное к системе, а W — работа, выполненная системой над окружающей средой. Давайте разберемся в каждом из этих элементов:

• ΔU (изменение внутренней энергии): Это изменение энергии системы за счет тепла и работы.
• Q (тепло): Это энергия, переданная в систему. Если тепло добавляется, оно считается положительным. Если тепло выводится, оно считается отрицательным.
• W (работа): Это энергия, используемая системой для выполнения работы над окружающей средой. Если система выполняет работу над окружающими, оно считается положительным. Если работу выполняют над системой, оно считается отрицательным.

Первый закон подчеркивает сохранение энергии и утверждает, что энергия, поступившая в систему, всегда равна энергии, выходящей из нее.

Понимание внутренней энергии

Внутренняя энергия относится к общей энергии, присутствующей в системе. Она включает все микроскопические энергии, такие как кинетическая и потенциальная энергия молекул в веществе. Внутренняя энергия может изменяться при передаче тепла или выполнении работы над системой или системой.

Внутренняя энергия может рассматриваться в трех различных сценариях:

• Нагревание газа: Когда газ нагревается, его внутренняя энергия увеличивается, потому что увеличивается кинетическая энергия молекул. Это означает, что молекулы движутся быстрее.
• Сжатие газа: Когда газ сжимается, над газом выполняется работа, которая увеличивает его внутреннюю энергию. Молекулы приближаются друг к другу, что увеличивает их потенциальную энергию.
• Расширение газа: Когда газ расширяется, он выполняет работу над окружающей средой. Это требует энергии, что обычно уменьшает внутреннюю энергию и приводит к замедлению движения молекул.

Первый закон и примеры внутренней энергии

Пример 1: Нагревание воды в сосуде

Предположим, что вода нагревается в сосуде на плите. Тепло от плиты передается воде, повышая ее температуру. Добавленное тепло — это Q. Если вода расширяется при нагревании, она может выполнить работу над воздухом выше нее, представляемую W.

В этом сценарии, согласно первому закону:

ΔU = Q - W

Увеличение внутренней энергии воды будет равно добавленному теплу минус работа, выполненная для расширения.

Пример 2: Сжатие воздуха в велосипедном насосе

Рассмотрим использование велосипедного насоса для закачки воздуха в шину. Когда вы нажимаете на насос, вы выполняете работу над воздухом внутри, обозначаемую W. Эта работа увеличивает внутреннюю энергию воздуха, вызывая его нагревание. Тепло Q не добавляется извне, поэтому:

ΔU = 0 - (-W) = W

Здесь увеличение внутренней энергии равно выполненной над газом работе, так как нет передачи тепла внутрь или наружу.

Пример 3: Охлаждение двигателя

В двигателе внутренняя энергия может уменьшаться, когда он теряет тепло Q в окружающую среду. Например, автомобильный двигатель теряет тепло при работе, и работа, которую он выполняет, может быть в форме физического движения W. В этом случае первый закон можно выразить как:

ΔU = Q - W

Изменение внутренней энергии — это энергия, полученная вычитанием работы, выполненной двигателем, из энергии, потерянной в виде выделенного тепла.

Визуальное представление с простыми диаграммами

Давайте используем простые диаграммы, чтобы понять эти концепции:

Чтобы понять, как энергия входит и выходит из системы, рассмотрим эту упрощенную диаграмму газа внутри поршня:

Здесь тепло Q поступает в систему (поршень), в то время как работа W выполняется газом, вызывая движение поршня вверх. Граница системы отмечена серым прямоугольником.

Заключение

Первый закон термодинамики является основополагающим для понимания того, как управляется энергия в физической системе. Он лежит в основе идеи сохранения, указывая на то, что формы энергии могут изменяться, но не могут легко исчезнуть или быть созданы из ничего.

В более широком смысле этот закон применим не только к примерам газов и двигателей, но и ко всем системам, где происходит передача энергии. Изучая первый закон вместе с концепцией внутренней энергии, студенты могут лучше понять фундаментальные концепции, важные в физике и инженерии.

Комментарии