Первый закон термодинамики

Первый закон термодинамики — это фундаментальный принцип физики, устанавливающий базовое понятие сохранения энергии. Он утверждает, что энергия не может быть создана или уничтожена в изолированной системе. Вместо этого она может лишь преобразовываться из одной формы в другую или передаваться от одной части системы к другой. Это означает, что полная энергия изолированной системы остается постоянной.

Понятийное понимание

Представьте, что у вас есть запечатанная коробка, которая не пропускает никакую энергию внутрь или наружу. Внутри этой коробки, если у вас есть горячий объект, он может охладиться со временем, но в другом месте в коробке что-то другое приобретет часть энергии. Это может быть движение молекул газа, которое приводит к повышению температуры внутри коробки. Общая энергия в этой закрытой коробке остается неизменной.

Чтобы выразить это в простой форме уравнения, мы пишем:

Энергия в = Энергия из + Изменение энергии
    

В более детальном термодинамическом смысле это можно выразить как:

ΔU = Q – W
    

Где:

• ΔU — изменение внутренней энергии системы.
• Q — тепло, добавленное к системе.
• W — работа, выполненная системой.

Визуальный пример

Рассмотрим простую систему поршня для понимания первого закона термодинамики.

 ,
| | 
,
|  | |
, | ,
| │ цилиндр ├───────┘
,
,
    

В этой системе поршня, если добавляется тепло Q (например, за счет сжигания топлива), этот поршень ускорится, совершая работу W над окружающей его областью по мере расширения. Первый закон говорит нам, что количество тепла, превращенного в работу, плюс любое изменение внутренней энергии ΔU газа внутри поршня будет равно начальному теплу Q

Текстовые примеры и приложения

Рассмотрим, как вы держите металлический стержень и нагреваете один конец. Вы вскоре почувствуете, что тепло движется к вашей руке. Здесь происходит то, что тепловая энергия передается по длине стержня от горячего конца к холодному. Никакая энергия не теряется; она просто перемещается из одного места в другое. Это и есть первый закон.

Первый закон важен для понимания двигателей, таких как автомобильные. Двигатели внутреннего сгорания, которые выталкивают поршень наружу после расширения газов, были разработаны на основе первого закона. В каждом моторном цикле часть химической потенциальной энергии, содержащейся в топливе, превращается в тепловую энергию посредством сгорания. Эта тепловая энергия затем выполняет работу над поршнем, приводя в движение ваш автомобиль вперед.

Математические аспекты

Рассмотрим некоторые математические аспекты этого закона:

У нас есть формула:

ΔU = Q – W
    

Здесь как Q, так и W могут быть положительными или отрицательными в зависимости от направления потока тепла и выполненной работы.

• Если тепло добавляется в систему, то Q положительно.
• Если тепло удаляется, то Q отрицательно.
• Если работа выполняется системой, то W положительно.
• Если работа выполняется над системой, то W отрицательно.

Рассмотрим пример:

Предположим, что система поглощает 500 джоулей тепла и выполняет 225 джоулей работы, чему будет равно изменение внутренней энергии?

ΔU = Q – W
ΔU = 500 Дж – 225 Дж
ΔU = 275 Дж
    

Таким образом, изменение внутренней энергии составляет 275 Дж.

Последствия в реальном мире

Интересное следствие первого закона — это определение энергетической эффективности. Рассмотрим электростанцию, производящую электричество. Не вся энергия, полученная при сжигании топлива, превращается в электричество; часть из нее теряется в виде тепла, уходящего в окружающую среду. Применяя первый закон, инженеры могут выяснить, сколько полезной работы производится по сравнению с общей энергией входа и попытаться повысить эффективность, приводя к более устойчивому использованию энергии и снижению воздействия на окружающую среду.

В холодильнике первый закон помогает нам понять, как тепло поглощается и откачивается изнутри прибора, снижая внутреннюю температуру и сохраняя продукты в безопасности.

Заключение

Первый закон термодинамики подчеркивает необратимую природу сохранения энергии. Его принципы лежат в основе не только теоретической физики, но и практических применений, таких как двигатели, холодильники и даже биологические процессы в наших телах. Благодаря уравнениям или повседневным примерам понимание того, как энергия переходит внутри и между системами, важно для продвижения технологий и улучшения качества жизни.

Комментарии