Przeczytaj
I zasada termodynamiki
Pierwsza zasada termodynamiki jest przypadkiem zasady zachowania energii. Odnosi się do układów, które mogą wymieniać energię z otoczeniem przez transport ciepła lub poprzez mechaniczną pracę. Zasada ta mówi, że zmiana wewnętrznej energii układu () równa jest sumie ilości wymienionego ciepłaciepła () oraz pracypracy () wykonanej nad układem. Równanie, które opisuje pierwszą zasadę termodynamiki, jest następujące:
Energia wewnętrzna
- energia ruchów oraz drgań cząsteczek, jonów i atomów,
- energia oddziaływań między elektronami, jądrami atomowymi oraz elektronami z jądrami atomowymi,
- energia oddziaływań między nukleonami,
-energia oddziaływań międzycząsteczkowych,
-energia wiązań chemicznych. Energia wewnętrzna jest funkcją stanu Oznacza to, że jej wartość zależy jedynie od aktualnego stanu układu, który jest określany przez następujące parametry:
- temperatury,
- ciśnienia,
- objętości,
- masy.
Energia wewnętrzna jest całkowitą energią danego układu termodynamicznego.
Czyli energia układu, która jest sumą energii potencjalnej i kinetycznej makroskopowych części układu, energii kinetycznej cząsteczek, energii potencjalnej oddziaływań międzycząsteczkowych i wewnątrzcząsteczkowych itd.
Składa się na nią:
- energia ruchów (w tym także drgań) cząsteczek i atomów;
- energia oddziaływań między elektronami, jądrami atomowymi oraz elektronami z jądrami atomowymi;
- energia oddziaływań między nukleonami;
- energia oddziaływań międzycząsteczkowych;
- energia wiązań chemicznych.
Energia wewnętrzna jest funkcją stanu.
Oznacza to, że jej wartość zależy jedynie od aktualnego stanu układu, który jest określany przez następujące parametry:
- temperaturę;
- ciśnienie;
- objętość;
- masę.
Energia wewnętrzna nie zależy od tego, jak został osiągnięty aktualny stan układu. Jeżeli zmienilibyśmy np. temperaturę układu, następnie panujące w nim ciśnienie, a na koniec przywrócilibyśmy obu parametrom wartości początkowe, to energia wewnętrzna przyjęłaby taką wartość, jaką miała na początku.
W związku z tym, że energia wewnętrzna jest funkcją stanu, wynika, że zmiana, jakiej doznaje, gdy układ przechodzi z jednego stanu do drugiego, wcale nie zależy od wyboru drogi, po której to następuje.
Nie da się wyznaczyć energii wewnętrznej dla danego układu, ponieważ energia wewnętrzna nie jest wartością bezwzględną. Możemy tylko wyznaczać zmiany tej energii – .
Znaczenie energii wewnętrznej najprościej jest wyjaśnić na przykładzie gazu (np. powietrza), zamkniętego przez tłok w szczelnym pojemniku. W takim układzie energia jest magazynowana w formie energii kinetycznej poszczególnych cząsteczek.
W cząsteczkach gazów występują również cykliczne zmiany odległości między tworzącymi je jonami, które też są związane z energią, ale nie mają istotnego wpływu na energię wewnętrzną, kiedy pojemnik znajduje się w temperaturze pokojowej.
Jeżeli chcemy zwiększyć energię wewnętrzną układu, możemy dostarczyć do niego ciepło ( będzie większe od zera). Aby to zrobić, pojemnik należy umieścić np. w gorącej wodzie lub nad palnikiem. W takiej sytuacji otoczenie o wyższej temperaturze przekaże ciepło przez ścianki pojemnika do gazu (przewodnictwo cieplne). W wyniku podwyższenia temperatury układu, cząsteczki zaczną poruszać się szybciej.
W podobny sposób można także zmniejszyć energię wewnętrzną. Wystarczy, że pojemnik z gazem umieścimy w mieszaninie lodu i wody. Spowoduje to „odebranie” ciepła ( będzie mniejsze od zera) pojemnikowi z gazem i oddanie go otoczeniu.
Czy ciepło jest tym samym, co temperatura ?
Nie! Ciepło jest związane z dostarczaniem lub wyprowadzaniem energii z układu, zaś temperatura zawiązana jest tylko z energią kinetyczną cząsteczek układu. Temperatura w układzie może ulec zwiększeniu bez dostarczenia ciepła – nawet wtedy, gdy układ oddaje ciepło. Wystarczy, że równocześnie będziemy bardzo silnie sprężać gaz. Jeżeli zamierzamy to robić odpowiednio szybko, wartość wykonywanej pracy ( większe od zera) przewyższy wartość oddawanego ciepła ( mniejsze od zera).
Dzięki ruchomemu tłokowi możemy wykonywać pracę nad układem. Trzymając tłok pionowo i poruszając nim w dół i w górę, odpowiednio sprężamy i rozprężamy gaz. Opadanie tłoku powoduje przybliżanie go do cząsteczek gazu, które na skutek zderzeń przyśpieszają i podnoszą w ten sposób energię wewnętrzną układu. Opuszczanie tłoku powoduje zmniejszenie objętości i wzrost ciśnienia, zatem przyjmuje wartość większą od zera.
Jeżeli zadziałamy odwrotnie i zaczniemy podnosić tłok, cząsteczki, zderzając się z tłokiem, zmniejszają swoją energię kinetyczną – energia wewnętrzna układu maleje. Ponoszenie tłoku powoduje zwiększenie objętości i zmniejszenie ciśnienia – przyjmuje wartość mniejszą od zera.
(energia wewnętrzna układu) | (ciepło) | (praca) |
|---|---|---|
dodatnia, gdy temperatura rośnie (dotyczy wyłącznie gazów, szczególnie doskonałych) | dodatnie, gdy ciepło jest dostarczone do układu | dodatnia, gdy układ jest ściskany |
ujemna, gdy temperatura maleje (dotyczy wyłącznie gazów, szczególnie doskonałych) | ujemna, gdy układ oddaje ciepło | ujemna, gdy gaz jest rozprężany |
wynosi zero, gdy temperatura jest stała (dotyczy wyłącznie gazów, szczególnie doskonałych) | wynosi zero, gdy nie ma wymiany ciepła | wynosi zero, gdy objętość się nie zmienia |
Słownik
potencjał termodynamiczny w procesach przebiegających bez zmiany entropii i objętości; zmiany energii wewnętrznej w dowolnym procesie określa zasada termodynamiki
wielkość fizyczna opisująca przepływ energii między układami makroskopowymi pozostającymi we wzajemnym kontakcie (układ termodynamiczny); polega na przekazywaniu energii chaotycznego ruchu cząstek w zderzeniach cząstek tworzących te układy, z czym wiąże się zmiana energii wewnętrznej układów; jednostką ciepła w układzie SI jest dżul ()
dział fizyki, który obejmuje badanie zjawisk cieplnych, zachodzących w układach makroskopowych
skalarna wielkość będąca miarą energii przekazywanej do układu fizycznego w procesach mechanicznych, elektrycznych i in.
cykliczne zmiany odległości między jonami, tworzącymi cząsteczki
Bibliografia
I zasada termodynamiki, online: http://home.agh.edu.pl/~stypula/wyk2.pdf, dostęp: 19.05.2021.
Ling S. J., Sanny J., Moebs W., Fizyka dla szkół wyższych, t. 2, online: https://cnx.org/contents/FqtblkWY@4.35:ZnRSU0UP@4/3-2-Praca-ciep%C5%82o-i-energia-wewn%C4%99trzna, dostęp: 19.05.2021.
Posmykiewicz P., Wykład XIII. Ciepło i I zasada termodynamiki, online: http://cmf.p.lodz.pl/posmykiewicz/wyklady_wl/wyklad_13a/wyklad_w13a.pdf, dostęp: 19.05.2021.