Pierwsza zasada termodynamiki

 

Zgodnie z zasadą zachowania energii, energia wewnętrzna układu może się zmieniać jedynie dzięki oddziaływaniu z otoczeniem.


Energia może być przekazywana na poziomie cząsteczkowym, tzn. dzięki bezpośrednim oddziaływaniom międzycząsteczkowym, np. w  trakcie zderzeń. Energia przekazana na tej drodze układowi (przez otoczenie) lub otoczeniu (przez układ) nazywa się ciepłem.

Zasada zachowania energii uwzględniająca procesy wymiany energii to


Pierwsza zasada termodynamiki

Ciepło dostarczone do układu zużywa się na zwiększenie jego energii wewnętrznej i na wykonanie przez układ pracy przeciwko siłom zewnętrznym

ΔQ= ΔU + W

gdzie:
ΔU - zmiana energii wewnętrznej (ciała) układu - jednostką w  układzie SI jest 1J (dżul),
ΔQ - ciepło dostarczone do układu,
W - praca wykonana przez układem.

Termodynamika. Ireneusz Owczarek


Inne postaci tej zasady:

  • W układzie zachowawczym energia nie może ani powstawać, ani zanikać, może jedynie przeistaczać się z jednej postaci w drugą.
  • Nie jest możliwe zbudowanie „perpetuum mobile pierwszego rodzaju”, tj. takiej maszyny, która wykonywałaby pracę w nieskończonej ilości bez pobierania energii z zewnątrz.

Termodynamika. Ireneusz Owczarek



Z pierwszej zasady termodynamiki wynikają następujące konsekwencje:

  • Energia wewnętrzna układu jest funkcją stanu, a więc nie zależy od drogi przemiany.
  • Układ nie zawiera ani ciepła ani pracy.
  • Ciepło i praca są sposobami przekazywania energii pomiędzy układami lub układem i otoczeniem (należy je wyrażać w takich samych jednostkach, w układzie SI jest nią 1J=1Ws=1Nm).
  • Energia układu zamkniętego, który nie wymienia ciepła ani nie wykonuje pracy, nie zmienia się Δ U=0.

Na podstawie I zasady termodynamiki energia wewnętrzna może być zdefiniowana jako funkcja stanu i dla nieskończenie małych zmian:

dQ = dU + dW.

Dla wszystkich procesów prowadzących od pewnego określonego stanu do drugiego zmiana ΔU ma zawsze tę samą wartość, choć ilości dostarczanego ciepła i pracy wykonanej przez układ są na ogół różne dla różnych procesów.

Zmiana energii wewnętrznej układu zależy wyłącznie od stanu początkowego i końcowego.

Praca, natomiast zależy od stanu początkowego i końcowego oraz od stanów pośrednich czyli od drogi procesu.


Zastosowanie pierwszej zasady termodynamiki

Przemiana izotermiczna, tj. przemiana gdzie T=const. i U=const.

ΔQ=W,

ponieważ

ΔU= mcVΔT= 0

W procesie izotermicznym cała energia przekazana ciału w postaci ciepła jest zużywana na wykonanie pracy przez gaz.

Przemiana izobaryczna, gdzie p=const.

ΔQ= ΔU + W.

Dostarczone ciepło powoduje wykonanie przez układ pracy i wzrost jego energii wewnętrznej.

Przemiana izochoryczna o stałej objętości V=const. czynnika roboczego

ΔQ= ΔU

ponieważ

W= pΔV= 0.

Ciepło dostarczane do układu jest zużywane na zwiększenie jego energii wewnętrznej, co się wiąże ze wzrostem temperatury.

Przemiana adiabatyczna, gdy nie ma wymiany ciepła z otoczeniem ΔQ=0

∆U= -W.

Zmiana energii wewnętrznej gazu odbywa się na skutek pracy wykonanej przez siły zewnętrzne.



 Ireneusz Owczarek  ©  2011 - 2013