TERMODINAMIĞIN BIRINCI YASASI: FORMÜLLER, DENKLEMLER, ÖRNEKLER - FIZIKSEL - 2025

Termodinamik birinci yasası herhangi bir değişiklik bir sistemin enerjisi ile yaşadığı eyaletlerde yapılan mekanik iş, artı çevre ile alınıp verilen ısı geliyor. İster hareketsiz ister hareket halinde olsun, nesnelerin (sistemlerin) farklı enerjileri vardır ve bunlar bir tür süreçle bir sınıftan diğerine dönüştürülebilir.

Bir sistem laboratuvarın durgunluğundaysa ve mekanik enerjisi 0 ise, onu oluşturan parçacıkların sürekli olarak rastgele hareketler yaşaması nedeniyle hala iç enerjiye sahiptir.

Şekil 1. Bir içten yanmalı motor, iş üretmek için termodinamiğin birinci yasasını kullanır. Kaynak: Pixabay.

Parçacıkların rastgele hareketleri, elektriksel etkileşimler ve bazı durumlarda nükleer olanlarla birlikte sistemin iç enerjisini oluşturur ve çevresi ile etkileşime girdiğinde iç enerjide değişiklikler ortaya çıkar.

Bu değişiklikleri gerçekleştirmenin birkaç yolu vardır:

- Birincisi, sistemin çevre ile ısı alışverişi yapmasıdır. Bu, ikisi arasında sıcaklık farkı olduğunda meydana gelir. Sonra daha sıcak olan, her iki sıcaklık da eşit olana kadar ısıyı -enerji aktarmanın bir yolu- en soğuk olana bırakır ve termal dengeye ulaşır.

- İster sistem tarafından gerçekleştirilsin, isterse harici bir temsilci sistem üzerinde bir işi gerçekleştirerek.

- Sisteme kütle ekleme (kütle enerjiye eşittir).

U iç enerji olsun, denge ΔU = nihai U - ilk U olacaktır, bu nedenle IUPAC (Uluslararası Saf ve Uygulamalı Kimya Birliği) kriterlerine göre aşağıdaki gibi işaretler atamak uygundur:

- Pozitif Q ve W (+), sistem ısı aldığında ve üzerinde iş yapıldığında (enerji aktarılır).

- Negatif Q ve W (-), eğer sistem ısıyı bırakırsa ve çevre üzerinde çalışma yaparsa (enerjiyi azaltır).

Formüller ve denklemler

Termodinamiğin birinci yasası, enerjinin ne yaratıldığını ne de yok edildiğini, ancak bir türden diğerine dönüştürüldüğünü belirtmenin başka bir yoludur. Bunu yapmak, iyi bir şekilde kullanılabilecek ısı ve iş üretmiş olacaktır. Matematiksel olarak şu şekilde ifade edilir:

ΔU = Q + W

Nerede:

- ΔU, sistemin enerjisindeki değişimdir: ΔU = Nihai enerji - Başlangıç ​​enerjisi = U _f - U _o

- Q, sistem ve çevre arasındaki ısı alışverişidir.

- W, sistem üzerinde yapılan iştir.

Bazı metinlerde termodinamiğin birinci yasası şöyle sunulur:

ΔU = Q - W

Bu, birbirleriyle çeliştikleri veya bir hata olduğu anlamına gelmez. Bunun nedeni, W işinin, IUPAC yaklaşımında olduğu gibi, sistemde yapılan işi kullanmak yerine sistem tarafından yapılan iş olarak tanımlanmış olmasıdır.

Bu kriter ile termodinamiğin birinci yasası şu şekilde ifade edilir:

Her iki kriter de doğru sonuçlar verecektir.

Termodinamiğin birinci yasası hakkında önemli gözlemler

Hem ısı hem de iş, sistem ve çevresi arasında enerji aktarımının iki yoludur. İlgili tüm miktarlar, Uluslararası Sistemde bir birim olarak joule veya joule'ye sahiptir, kısaltılmış J.

Termodinamiğin birinci yasası, son veya ilk enerjinin mutlak değerleri hakkında değil, enerjideki değişim hakkında bilgi verir. Hatta bazıları 0 olarak alınabilir, çünkü önemli olan değerlerdeki farktır.

Bir başka önemli sonuç da, her izole edilmiş sistemin ΔU = 0 olmasıdır, çünkü çevre ile ısı alışverişi yapamaz ve hiçbir dış etken üzerinde çalışma yapamaz, böylece enerji sabit kalır. Kahvenizi sıcak tutmak için bir termos makul bir yaklaşımdır.

Yani izole edilmemiş bir sistemde ΔU her zaman 0'dan farklı mıdır? Genellikle basınç, sıcaklık, hacim ve mol sayısı olan değişkenleri, başlangıç ​​ve son değerlerinin aynı olduğu bir döngüden geçerse, ΔU 0 olabilir.

Örneğin Carnot döngüsünde, sürtünme veya viskozite kayıplarını hesaba katmadığı için tüm termal enerji kullanılabilir işe dönüştürülür.

Sistemin gizemli enerjisi U'ya gelince, şunları içerir:

- Parçacıkların hareket halindeyken kinetik enerjisi ve atomların ve moleküllerin titreşimlerinden ve dönmelerinden gelen enerji.

- Atomlar ve moleküller arasındaki elektriksel etkileşimlerden kaynaklanan potansiyel enerji.

- Güneşte olduğu gibi atom çekirdeğine özgü etkileşimler.

Uygulamalar

Birinci yasa, bir sistemin iç enerjisinin değişmesine neden olarak ısı üretmenin ve çalışmanın mümkün olduğunu belirtir. En başarılı uygulamalardan biri, belirli bir hacimde gazın alındığı ve işin yapılmasında genleşmesinin kullanıldığı içten yanmalı motordur. Bir başka iyi bilinen uygulama da buhar motorudur.

Motorlar genellikle sistemin ilk denge durumundan başka bir son duruma, yine denge durumuna doğru başladığı döngüleri veya süreçleri kullanır. Birçoğu, birinci yasadan itibaren iş ve ısının hesaplanmasını kolaylaştıran koşullar altında gerçekleşir.

İşte yaygın, günlük durumları tanımlayan basit şablonlar. En açıklayıcı süreçler adyabatik, izokorik, izotermal, izobarik süreçler, kapalı yol süreçleri ve serbest genişlemedir. Bunlarda, bir sistem değişkeni sabit tutulur ve sonuç olarak birinci yasa belirli bir biçim alır.

İzokorik süreçler

Sistemin hacminin sabit kaldığı yerlerdir. Bu nedenle, hiçbir iş yapılmaz ve W = 0 ile kalır:

ΔU = Q

İzobarik süreçler

Bu süreçlerde basınç sabit kalır. Sistem tarafından yapılan iş hacimdeki değişimden kaynaklanmaktadır.

Bir kapta hapsolmuş bir gazı varsayalım. W işi şu şekilde tanımlandığından:

Bu gücü işin ifadesine koyarsak, sonuç:

Ancak A. Δl çarpımı, ΔV hacim değişimine eşittir ve işi şu şekilde bırakır:

İzobarik bir süreç için, birinci yasa şu biçimi alır:

ΔU = Q - p ΔV

İzotermal süreçler

Sabit bir sıcaklıkta gerçekleşenlerdir. Bu, sisteme harici bir termal rezervuar ile temas ettirilerek ve ısı alışverişinin çok yavaş gerçekleşmesine ve böylece sıcaklığın sabit kalmasına neden olarak gerçekleşebilir.

Örneğin, ısı, sıcak bir rezervuardan sisteme akabilir ve sistemin ΔU'da değişiklik olmaksızın çalışmasını sağlar. Yani:

S + W = 0

Adyabatik süreçler

Adyabatik süreçte termal enerji transferi yoktur, bu nedenle Q = 0 ve birinci kanun ΔU = W'ye indirgenir. Bu durum iyi izole edilmiş sistemlerde meydana gelebilir ve enerji değişiminin yapılan işten kaynaklandığı anlamına gelir. mevcut işaret kuralına (IUPAC) göre yapılmıştır.

Termal enerji transferi olmadığından, sıcaklığın sabit kalacağı düşünülebilir, ancak bu her zaman böyle değildir. Şaşırtıcı bir şekilde, izole edilmiş bir gazın sıkıştırılması, sıcaklığında bir artışa neden olurken, adyabatik genleşmede sıcaklık düşer.

Kapalı yolda süreçler ve serbest genişleme

Kapalı bir yol sürecinde, sistem ara noktalarda ne olduğuna bakılmaksızın başlangıçta sahip olduğu duruma geri döner. Bu süreçlerden daha önce izole olmayan sistemlerden bahsedilirken bahsedilmişti.

İçlerinde ΔU = 0 ve dolayısıyla kabul edilen işaret kriterine bağlı olarak Q = W veya Q = -W.

Kapalı yol süreçleri, buhar makinesi gibi termal motorların temelini oluşturdukları için çok önemlidir.

Son olarak, serbest genleşme, bir gaz içeren termal olarak yalıtılmış bir kapta gerçekleşen bir idealizasyondur. Kap, bir bölme veya zar ile ayrılmış iki bölmeye sahiptir ve gaz, bunlardan birinin içindedir.

Membran koparsa ve gaz genişlerse kabın hacmi aniden artar, ancak kapta hareket edecek bir piston veya başka bir nesne bulunmaz. Yani gaz genleşirken çalışmaz ve W = 0 olur. Isı yalıtımlı olduğu için Q = 0 olur ve hemen ΔU = 0 olduğu sonucuna varılır.

Bu nedenle, serbest genleşme gazın enerjisinde değişime neden olmaz, ancak paradoksal olarak genleşirken dengede değildir.

Örnekler

- Tipik bir izokorik süreç, bir gazın hava geçirmez ve sert bir kapta ısıtılmasıdır, örneğin egzoz valfsiz bir düdüklü tencere. Böylelikle hacim sabit kalır ve böyle bir kabı diğer cisimlerle temas ettirirsek, gazın iç enerjisi ancak bu temastan kaynaklanan ısı transferi sayesinde değişir.

- Termal makineler, bir termal tanktan ısı aldıkları, hemen hemen her şeyi işe dönüştürdükleri, kendi çalışmaları için bir parça bıraktıkları ve fazla ısının başka bir soğuk tanka boşaltıldığı bir döngü gerçekleştirir. ortam.

- Üzeri açık bir tencerede sos hazırlamak izobarik bir işlemin günlük bir örneğidir, çünkü pişirme atmosferik basınçta yapılır ve sıvı buharlaştıkça sos hacmi zamanla azalır.

- İzotermal bir sürecin gerçekleştiği ideal bir gaz, basınç ve hacim ürününü sabit tutar: P. V = sabit.

- Sıcakkanlı hayvanların metabolizması, yiyeceklerde bulunan enerji pahasına, sabit bir sıcaklıkta kalmalarına ve birden fazla biyolojik işlem gerçekleştirmelerine olanak tanır.

Şekil 2. Sporcular, termal makineler gibi, iş yapmak için yakıt kullanırlar ve fazlalık terle kaybolur. Kaynak: Pixabay.

Çözülmüş egzersizler

1. Egzersiz

Bir gaz, hacmi 9.00 L ila 2.00 L arasında değişecek şekilde 0.800 atm'lik sabit bir basınçta sıkıştırılır. İşlemde gaz, ısı yoluyla 400 J enerji verir. a) Gaz üzerinde yapılan işi bulun ve b) iç enerjisindeki değişimi hesaplayın.

Çözüm)

Adyabatik işlemde P _o = P _f , gaza yapılan iş W = P olur. ΔV, önceki bölümlerde açıklandığı gibi.

Aşağıdaki dönüştürme faktörleri gereklidir:

Bu nedenle: 0.8 atm = 81.060 Pa ve Δ V = 9-2 L = 7 L = 0.007 m ³

Aldığınız değerleri ikame ederek:

Çözüm b)

Sistem ısıyı bıraktığında, Q'ya bir işaret atanır - bu nedenle Termodinamiğin birinci yasası aşağıdaki gibidir:

ΔU = -400 J + 567.42 J = 167.42 J

Egzersiz 2

Bir gaz iç enerji 500 J olduğu bilinmektedir ve adyabatik sıkıştırıldığında hacmi 100 cm azalır ³ . Sıkıştırma sırasında gaza uygulanan basınç 3.00 atm ise, adyabatik sıkıştırmadan sonra gazın iç enerjisini hesaplayın.

Çözüm

İfade sıkıştırmanın adyabatik olduğunu bildirdiğinden, Q = 0 ve ΔU = W olduğu doğrudur, o zaman:

İlk U = 500 J ile.

Veri ΔV = 100 cm göre ³ ; 100 x 10 ^-6 m ³ ve 3 atmosferde = 303.975 Pa arasında, bu yüzden:

Referanslar

1. Bauer, W. 2011. Mühendislik ve Bilimler için Fizik. Cilt 1. Mc Graw Hill.
2. Cengel, Y. 2012. Termodinamik. 7 ^ma Sürümü. McGraw Hill.
3. Figueroa, D. (2005). Seri: Bilim ve Mühendislik için Fizik. Cilt 4. Akışkanlar ve Termodinamik. Douglas Figueroa (USB) tarafından düzenlendi.
4. López, C. Termodinamiğin Birinci Yasası. Culturacientifica.com adresinden kurtarıldı.
5. Knight, R. 2017. Bilim Adamları ve Mühendislik için Fizik: Bir Strateji Yaklaşımı. Pearson.
6. Serway, R., Vulle, C. 2011. Temel Fizik. 9 ^na Ed. Yaym Öğrenme.
7. Sevilla Üniversitesi. Termal Makineler. Kurtarıldı: laplace.us.es.
8. Wikiwand. Adyabatik süreç. Wikiwand.com adresinden kurtarıldı.