- Принос от OpenStax
- Обща физика в OpenStax CNX
Ако се интересуваме от това как трансферът на топлина се превръща в извършване на работа, тогава принципът за запазване на енергията е важен. The първи закон на термодинамиката прилага принципа на запазване на енергията към системи, при които преносът на топлина и извършването на работа са методите за пренос на енергия в и извън системата.
Фигура \ (\ PageIndex \): Този кипящ чайник представлява енергия в движение. Водата в чайника се превръща във водни пари, тъй като топлината се прехвърля от печката към чайника. С нагряването на цялата система се работи - от изпаряването на водата до свиренето на чайника. (кредит: Джина Хамилтън)
Първият закон на термодинамиката гласи, че промяната във вътрешната енергия на системата е равна на нетния топлопренос в системата минус нетната работа, извършена от системата. Във форма на уравнение първият закон на термодинамиката е
\ [\ Delta U = Q - W. \ етикет \]
Тук \ (\ Delta U \) е промяната във вътрешната енергия \ (U \) на системата. \ (Q \) е нетната топлина, предадена в системата - т.е. \ (Q \) е сумата от целия топлопренос в и извън системата. \ (W \) е нетната работа, извършена от системата - тоест \ (W \) е сумата от цялата работа, извършена върху или от системата. Използваме следните конвенции за знаци: ако \ (Q \) е положително, тогава има нетен топлопренос в системата; ако \ (W \) е положително, тогава системата има нетна работа. Така че положителното \ (Q \) добавя енергия към системата, а положителното \ (W \) отнема енергия от системата. По този начин \ (\ Delta U = Q - W \). Имайте предвид също, че ако в системата се получи повече пренос на топлина, отколкото извършената работа, разликата се съхранява като вътрешна енергия. Топлинните двигатели са добър пример за това - преносът на топлина в тях се осъществява, за да могат да вършат работа (Фигура \ (\ PageIndex \)). Сега ще разгледаме \ (Q, \, W \) и \ (\ Delta U \) допълнително.
Фигура \ (\ PageIndex \): Първият закон на термодинамиката е принципът на запазване на енергията, посочен за система, при която топлината и работата са методите за предаване на енергия за система в термично равновесие. \ (Q \) представлява нетния топлопренос - това е сумата от всички топлинни трансфери към и извън системата. \ (Q \) е положително за нетния топлопренос в системата. \ (W \) е общата работа, извършена върху и от системата. \ (W \) е положително, когато системата свърши повече работа, отколкото върху нея. Промяната във вътрешната енергия на системата, \ (\ Delta U \), е свързана с топлината и работата по първия закон на термодинамиката (уравнение \ ref).
ЗАКОН ЗА ТЕРМОДИНАМИКАТА И ЗАКОН ЗА ОПАЗВАНЕ НА ЕНЕРГИЯТА
Първият закон на термодинамиката всъщност е законът за запазване на енергията, посочен във форма, най-полезна в термодинамиката. Първият закон дава връзка между преноса на топлина, извършената работа и промяната във вътрешната енергия на системата.
Топлина Q и работа W
Преносът на топлина \ (Q \) и извършването на работа \ (W \) са двата ежедневни начина за внасяне на енергия в или извеждане на енергия от системата. Процесите са доста различни. Топлопреносът, по-малко организиран процес, се обуславя от температурните разлики. Работата, доста организиран процес, включва макроскопична сила, упражнявана през разстояние. Въпреки това топлината и работата могат да доведат до идентични резултати, например и двете могат да доведат до повишаване на температурата. Предаването на топлина в системата, например когато слънцето затопля въздуха в велосипедна гума, може да повиши температурата му и по този начин може да се работи върху системата, както когато велосипедистът изпомпва въздух в гумата. След като е настъпило повишаване на температурата, е невъзможно да се разбере дали то е причинено от пренос на топлина или от извършване на работа. Тази несигурност е важен момент. Преносът на топлина и работата са енергията при преминаване - нито една от тях не се съхранява като такава в системата. И двете обаче могат да променят вътрешната енергия \ (U \) на системата. Вътрешната енергия е форма на енергия, напълно различна от топлината или работата.
Вътрешна енергия U
Можем да мислим за вътрешната енергия на системата по два различни, но последователни начина. Първият е атомният и молекулярният изглед, който изследва системата в атомна и молекулярна скала. The вътрешна енергия \ (U \) на дадена система е сумата от кинетичната и потенциалната енергия на нейните атоми и молекули. Припомнете си, че кинетичната плюс потенциалната енергия се нарича механична енергия. По този начин вътрешната енергия е сумата от атомната и молекулярната механична енергия. Тъй като е невъзможно да се проследят всички отделни атоми и молекули, трябва да се справим със средните стойности и разпределенията. Вторият начин за разглеждане на вътрешната енергия на системата е по отношение на нейните макроскопични характеристики, които са много сходни с атомните и молекулярните средни стойности.
Макроскопски определяме промяната във вътрешната енергия \ (\ Delta U \) да бъде тази, дадена от първия закон на термодинамиката (уравнение \ ref): \ [\ Delta U = Q - W \ nonumber \]
Много подробни експерименти са потвърдили, че \ (\ Delta U = Q - W \), където \ (\ Delta U \) е промяната в общата кинетична и потенциална енергия на всички атоми и молекули в системата. Експериментално е установено, че вътрешната енергия \ (U \) на системата зависи само от състоянието на системата, а не от начина, по който е достигнала това състояние. По-конкретно се установява, че \ (U \) е функция на няколко макроскопични величини (налягане, обем и температура, например), независимо от миналата история, като например дали е имало пренос на топлина или свършена работа. Тази независимост означава, че ако знаем състоянието на дадена система, можем да изчислим промените в нейната вътрешна енергия \ (U \) от няколко макроскопични променливи.
МАКРОСКОПИКА срещу МИКРОСКОПИЯ
В термодинамиката често използваме макроскопичната картина, когато правим изчисления за това как се държи една система, докато атомната и молекулярната картина дават основни обяснения по отношение на средните стойности и разпределенията. Ще видим това отново в следващите раздели на тази глава. Например в темата за ентропията ще се правят изчисления, използвайки атомния и молекулярния изглед.
За да получите по-добра представа за това как да мислите за вътрешната енергия на системата, нека разгледаме система, преминаваща от състояние 1 към състояние 2. Системата има вътрешна енергия \ (U_1 \) в държава 1 и има вътрешна енергия \ (U_2 \) в държава 2, без значение как е стигнало до която и да е държава. Така че промяната във вътрешната енергия
\ [\ Delta U = U_2 - U_1 \]
е независим от това, което е причинило промяната. С други думи, \ (\ delta U \) е независим от пътя. Под път имаме предвид метода за придвижване от началната точка до крайната точка. Защо е важна тази независимост? И \ (Q \), и \ (W \) зависят от пътя, но \ (\ Delta U \) не (Equation \ ref). Тази независимост на пътя означава, че вътрешната енергия \ (U \) е по-лесна за разглеждане, отколкото пренос на топлина или свършена работа.
Пример \ (\ PageIndex \): Изчисляване на промяната във вътрешната енергия - Същата промяна в \ (U \) се произвежда от два различни процеса
- Да предположим, че има трансфер на топлина от 40,00 J към системата, докато системата върши работа от 10,00 J. По-късно има трансфер на топлина от 25,00 J извън системата, докато 4,00 J работа се извършва върху системата. Каква е нетната промяна във вътрешната енергия на системата?
- Каква е промяната във вътрешната енергия на системата, когато общо 150,00 J пренос на топлина се случва извън (от) системата и 159,00 J работа се извършва върху системата (Фигура \ (\ PageIndex \))?
Стратегия
В част (а) първо трябва да намерим нетния топлопренос и извършената нетна работа от дадената информация. Тогава първият закон на термодинамиката (уравнение \ ref).
може да се използва за намиране на промяната във вътрешната енергия. В част (б) са дадени нетният пренос на топлина и извършената работа, така че уравнението може да се използва директно.
Решение за (а)
Нетният пренос на топлина е преносът на топлина в системата минус топлопренасянето извън системата, или
\ [\ започнете Q & = 40.00 \, J - 25.00 \, J \\ [5pt] & = 15.00 \, J \ end \]
По същия начин общата работа е работата, извършена от системата минус работата, извършена върху системата, или
\ [\ начало W & = 10.00 \, J - 4.00 \, J \\ [5pt] & = 6.00 \, J. \ край \]
Дискусия по (а)
Без значение дали поглеждате цялостния процес или го разделяте на стъпки, промяната във вътрешната енергия е една и съща.
Решение за (b)
Тук нетният топлообмен и общата работа са дадени директно на \ (Q = -150,00 \, J \) и \ (W = -159,00 \, J \), така че
\ [\ begin \ Delta U & = Q - W = -150.00 - (-159.00) \\ [5pt] & = 9.00 \, J. \ end \]
Дискусия на (б)
Съвсем различен процес в част (б) произвежда същата промяна във вътрешната енергия от 9.00-J, както в част (а). Обърнете внимание, че промяната в системата в двете части е свързана с \ (\ Delta U \), а не с отделните \ (Q \) или \ (W \) s. Системата се оказва в едно и също състояние както в (а), така и в (б). Части (а) и (б) представят два различни пътя, които системата трябва да следва между едни и същи начални и крайни точки, а промяната във вътрешната енергия за всяка е еднаква - тя е независима от пътя.
Човешкият метаболизъм и първият закон на термодинамиката
Човешкият метаболизъм е превръщането на храната в пренос на топлина, работа и складирани мазнини. Метаболизмът е интересен пример за първия закон на термодинамиката в действие. Сега ще разгледаме отново тези теми чрез първия закон на термодинамиката. Като разглеждаме тялото като интересна система, можем да използваме първия закон, за да изследваме преноса на топлина, извършването на работа и вътрешната енергия в дейности, вариращи от сън до тежки упражнения. Кои са някои от основните характеристики на пренос на топлина, извършване на работа и енергия в тялото? Първо, телесната температура обикновено се поддържа постоянна чрез пренос на топлина към околната среда. Това означава, че \ (Q \) е отрицателно. Друг факт е, че тялото обикновено работи върху външния свят. Това означава, че \ (W \) е положително. Тогава в такива ситуации тялото губи вътрешна енергия, тъй като \ (\ Delta U = Q - W \) е отрицателно.
Сега помислете за ефектите от храненето. Храненето увеличава вътрешната енергия на тялото чрез добавяне на химическа потенциална енергия (това е неромантичен изглед на добра пържола). Тялото метаболизира цялата храна, която консумираме. По принцип метаболизмът е процес на окисление, при който се освобождава химическата потенциална енергия на храната. Това предполага, че въвеждането на храна е под формата на работа. Хранителната енергия се отчита в специална единица, известна като калория. Тази енергия се измерва чрез изгаряне на храна в калориметър, по този начин се определят единиците.
В химията и биохимията една калория (изписва се с малка буква c) се определя като енергия (или пренос на топлина), необходима за повишаване на температурата на един грам чиста вода с един градус по Целзий. Диетолозите и наблюдателите на теглото са склонни да използват диетичната калория, която често се нарича калория (изписва се с главна буква C). Една хранителна калория е енергията, необходима за повишаване на температурата на един килограм вода с един градус по Целзий. Това означава, че една диетична калория е равна на една килокалория за химика и трябва да се внимава, за да се избегне объркване между двете.
Отново помислете за вътрешната енергия, която тялото е загубило. Тази вътрешна енергия може да отиде на три места - за пренос на топлина, за извършване на работа и за съхранение на мазнини (малка част също отива за възстановяване и растеж на клетките). Топлопредаването и извършването на работа извеждат вътрешната енергия от тялото, а храната я връща обратно. Ако ядете точно точното количество храна, тогава средната ви вътрешна енергия остава постоянна. Каквото и да загубите от пренос на топлина и извършване на работа, се заменя с храна, така че в дългосрочен план \ (\ Delta U = 0 \). Ако преяждате многократно, тогава \ (\ Delta U \) винаги е положителен и тялото ви съхранява тази допълнителна вътрешна енергия като мазнина. Обратното е вярно, ако ядете твърде малко. Ако \ (\ Delta U \) е отрицателен за няколко дни, тогава тялото метаболизира собствените си мазнини, за да поддържа телесната температура и да извършва работа, която отнема енергия от тялото. Този процес е начинът, по който диетата води до загуба на тегло.
Животът не винаги е толкова прост, както всеки, който спазва диета, знае. Тялото съхранява мазнини или ги метаболизира само ако енергийният прием се промени за период от няколко дни. След като сте били на основна диета, следващата е по-малко успешна, защото тялото ви променя начина, по който реагира на ниския енергиен прием. Вашата базална скорост на метаболизма (BMR) е скоростта, с която храната се превръща в топлообмен и свършена работа, докато тялото е в пълен покой. Тялото коригира основния си метаболизъм, за да компенсира частично преяждането или недояждането. Тялото ще намали скоростта на метаболизма, вместо да елиминира собствените си мазнини, за да замести загубения прием на храна. Ще охладите по-лесно и ще се почувствате по-малко енергични в резултат на по-ниската скорост на метаболизма и няма да отслабнете толкова бързо, колкото преди. Упражненията помагат за отслабване, защото произвеждат както пренос на топлина от тялото и работата, така и повишават метаболизма ви дори когато сте в покой. Загубата на тегло се подпомага и от доста ниската ефективност на тялото при преобразуване на вътрешната енергия в работа, така че загубата на вътрешна енергия в резултат на извършване на работа е много по-голяма от свършената работа. Трябва обаче да се отбележи, че живите системи са не в термично равновесие.
Тялото ни предоставя отлична индикация, че много термодинамични процеси са необратими. Необратим процес може да върви в една посока, но не и обратната, при даден набор от условия. Например, въпреки че телесните мазнини могат да се преобразуват, за да вършат работа и да произвеждат пренос на топлина, извършената работа върху тялото и преносът на топлина в нея не могат да бъдат превърнати в телесни мазнини. В противен случай бихме могли да пропуснем обяда, като се позагреем или като слезем по стълбите. Друг пример за необратим термодинамичен процес е фотосинтезата. Този процес е приемането на една форма на енергия - светлина - от растенията и превръщането й в химическа потенциална енергия. И двете приложения на първия закон на термодинамиката са илюстрирани на фигура \ (\ PageIndex \). Едно голямо предимство на законите за запазване, като първия закон на термодинамиката, е, че те точно описват началните и крайните точки на сложни процеси, като метаболизъм и фотосинтеза, без да се вземат предвид усложненията между тях.
Фигура \ (\ PageIndex \): (а) Първият закон на термодинамиката, приложен към метаболизма. Топлината, пренесена от тялото \ (Q \) и работата, извършена от тялото \ (W \) премахват вътрешната енергия, докато приемът на храна я замества. (Приемът на храна може да се разглежда като работа, извършена върху тялото.) (Б) Растенията преобразуват част от лъчистия топлопренос в слънчева светлина в съхранена химическа енергия, процес, наречен фотосинтеза.
Обобщение
Таблицата представя резюме на термини, свързани с първия закон на термодинамиката.
Терминологичен речник
Сътрудници и атрибуции
Пол Питър Уроне (почетен професор в Калифорнийския държавен университет, Сакраменто) и Роджър Хинрикс (Държавен университет в Ню Йорк, колеж в Осуего) с автори: Кир Диркс (Университет в Окланд) и Манджула Шарма (Университет в Сидни). Това произведение е лицензирано от Университета по OpenStax по лиценз Creative Commons Attribution (от 4.0).
- Опит за отслабване през първия триместър
- Отслабване Най-добрите идеи за закуска за изгаряне на мазнини първото нещо сутрин - американското слънце
- Първото нещо, което трябва да направите, когато искате да отслабнете
- Какво е търг за първи кръг
- Мислейки за започване на диета Първо, проверете фактите Диетите не работят