Й закон термодинамики, внутренняя энергия, тепло, работа, энтальпия, энтропия

Первый закон термодинамики гласит, (4 разные формулировки) что:

• Энергия не может быть создана или уничтожена (закон сохранения энергии), она лишь переходит из одного вида в другой в различных физических процессах. Отсюда следует, что внутренняя энергия изолированной системы остается неизменной.
• Количество теплоты, полученное системой, идет на изменение ее внутренней энергии и совершение работы против внешних сил.
• Изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданной системе и не зависит от способа, которым осуществляется этот переход.
• Изменение внутренней энергии неизолированной термодинамической системы равно разности между количеством теплоты, переданной системе, и работой, совершенной системой над внешними силами.

Первый закон термодинами гласит, что энергия не может быть создана или уничтожена. Таким образом, энергия системы (замкнутой) - постоянна. Тем не менее, энергия может быть передана от одного элемента системы другому. Рассмотрим замкнутую систему, изолированную от остальных.

Передача энергии между различными подсистемами в ней может быть описана как:

E₁ = E₂

где

E₁ = начальная энергия

E₂ = конечная энергия

Внутрення энергия включает:

• Кинетическую энергию движения атомов
• Потенциальную энергию хранящуюся в химических связях
• Гравитационную энергию системы

Первый закон является основой для термодинамической науки и инженерного анализа.

Базируется на возможных типах обмена (энергии), ниже приведены 3 типа систем:

• пред - изолированные системы (isolatedsystems): отсутствует обмен элементами системы или энергией
• закрытые системы (closedsystems): отсутствует обмен элементами системы, но присутствует некоторый обмен энергией
• открытые системы (opensystems): возможен обмен как элементами системы, так и энергией

Первый закон термодинамики помогает использовать ключевые концепции внутренней энергии (internalenergy), тепла (heat), и работы системы (systemwork). которые широко используются в описании тепловых систем (heatengines).

• Внутренняя энергия (InternalEnergy) - Внутренняя энергия определяется как энергия случайных, находящихся в неупорядченном движении молекул. Энергия молекул находится в диапазоне от высокой, необходимой для движения, до заметной лишь с помощью микроскопа энергии на молекулярном или атомном уровне. Например, у стакана с водой комнатной температы, стоящего на столе нет, на первый взгляд, никакой энергии: ни кинетической, ни потенциальной относительно стола. Но, с помощью микроскопа становится заметна "бурлящая" масса быстро двигающихся молекул. Если выплеснуть воду из стакана, эта микроскопическая энергия не обязательно заметно изменится, когда мы усредним добавленную кинетическую энергию на все молекулы воды.
• Тепло - Тепло может быть определено, как энергия, передаваемая от объекта с более высокой температурой к объекту с менее высокой температурой. Сам по себе объект не обладает "теплом"; соответствующий термин для микроскопической энергии объекта - внутренняя энергия. Внутренняя энергия может увеличиваться путем переноса энергии к объекту от объекта, имеющего температуру выше - этот процесс называется нагревом.
• Работа - Когда работа совершается термодинамической системой (чаще всего это газ, который совершает работу), то работа совершенная газом при постоянном давлении определяется как: W = p dV, где W - работа, p - давление, а dV -изменение объема.
  В случаях когда давление не является постоянным, работа может быть представлена интегральным образом, как площадь поверхности под кривой в координатах давление, объем, которые представляют происходящий процесс.

Изменение внутренней энергии системы равно теплу (добавленному системе) минус работа, совершенная системой

dE = Q - W

где

dE = изменение внутренней энергии

Q = добавленное тепло

W =работа системы

1й закон не дает информации о характере процесса и не определяет конечного состояния равновесия. Интуитивно мы понимаем, что энергия переходит от объекта с более высокой температурой к объекту с менее высокой температурой. Таким образом, 2й закон нам нужен для получения информации о характере процесса.

Энтальпия -

• это "термодинамический потенциал " используемый в химической термодинамике реакций и не циклических процессов.
• однозначная функция состояния термодинамической системы при независимых параметрах энтропии и давления, связана с внутренней энергией соотношением, приведенным ниже.
• это свойство вещества, указывающее количество энергии, которую можно преобразовать в теплоту.

Энтальпия определяется как:

H = U + PV

где

H = энтальпия

U = внутренняя энергия

P = давление

V = объем системы

При постоянном давлении изменение энтальпии равно количеству теплоты, подведенной к системе, поэтому энтальпию часто называют тепловой функцией или теплосодержанием. В состоянии термодинамического равновесия энтальпия системы минимальна.

Энтальпия является точно измеряемым параметром, когда определены способы выражения трех других поддающихся точному определению параметров формулы выше.

Энтропия.

Термин "энтропия" - величина, характеризующая степень неопределенности системы.

Однако, в термодинамике это понятие используется для определения связанной энергии системы. Энтропия определяет способность одной системы влиять на другую. Когда объекты пересекают нижнюю границу энергетического уровня необходимого для воздействия на окружающую среду, энтропия возрастает.Энтропия связана со вторым законом термодинамики.

Энтропия (обычно обозначается S), функция состояния термодинамической системы, изменение которой dS в равновесном процессе равно отношению количества теплоты dQ, сообщенного системе или отведенного от нее, к термодинамической температуре Т системы.

в символьном виде записывается, как

dS=(dQ)/T

где

dS - изменение термодинамической системы

dQ - количество теплоты, сообщенное системе

T - термодинамическая температура системы

 

Неравновесные процессы в изолированной системе сопровождаются ростом энтропии, они приближают систему к состоянию равновесия, в котором S максимальна (закон неубывания энтропии).

Для вселенной в целом энтропия возрастает.

Закон сохранения энергии Закон сохранения энергии для количества теплоты как формы энергии может быть записан в виде: δQ=dU+δA (1).или CdT=dU+δA (2), где C -- теплоемкость системы. В термодинамике уравнение (1) является крайне важным и называется первым началом. В отличие от закона сохранения их механики, первое начало термодинамики содержит бесконечно малое количество теплоты δQ. Мы знаем, что изучение разного рода переходов именно этой формы энергии -- предмет термодинамики. Очень часто уравнение (1) записывается в виде: δQ=dU+pdV (3). Уравнения (1), (2) и (3) записаны в дифференциальной форме. В связи с тем, что теплота и работа не являются функциями состояния, то для бесконечно малого количества теплоты и элементарной работы используют обозначение δQ, а не dQ и δA, а не dA. Этим подчёркивается, что δQ и δA не рассматриваются как полные дифференциалы, т.е. невсегда могут быть представлены как бесконечно малые приращения функций состояния (только в частных случаях). Первое начало термодинамики не может предсказать направление развития процесса. Этот закон лишь констатирует факт изменения величин в процессе и говорит о величине их изменения. Забегая вперед, скажем, что второе начало термодинамики определяет направление процесса. В том случае, если рассматривается круговой процесс (система возвращается в исходное состояние), изменение внутренней энергии системы dU=0, то первое начало термодинамики говорит о том, что все тепло, которое получила система, идет на совершение этой системой работы. Интегральная форма первого начала термодинамики Первое начало термодинамики можно записать и в интегральной форме: Q=△U+A (4). На словах уравнение (4) означает, что подводимая к системе теплота идет на изменение внутренней энергии системы и совершение этой системой работы. Обратимся опять к круговому процессу (△U). ЕсливкруговомпроцессетоQ=0, то A=0. Этоозначает, чтоневозможенпроцесспроизводстваработыбезкакого-то ни было изменения во внешних к системе телах. Или говорят по-другому: не возможен вечный двигатель первого рода. Рассмотрим изохорный процесс. При постоянном объеме система работу не совершает. В таком случае: Q=△U(5) говорят, что все подводимое к системе тепло идет на изменение (увеличение) внутренней энергии системы. В изотермическом процессе внутренняя энергия системы неизменна, следовательно: Q=A (6) все подводимое системе тепло идет на совершение системой работы.
Информация взята с сайта биржи Автор24: https://avtor24.ru/spravochniki/fizika/termodinamika/pervoe_nachalo_termodinamiki/.

Внутренняя энергия газа (и другой термодинамической системы) может изменяться в основном за счет двух процессов: совершения над газом работы и сообщением ему количества тепла Q. Так как состояние газа может одинаково изменяться от совершенной над ним работы и сообщенного ему количества тепла Q, то работа и теплота являются эквивалентными формами передачи энергии. Теплота - это форма передачи энергии на уровне микроскопических процессов, когда, например, молекулы газа, соударяясь с разогретыми стенками (молекулами) сосуда, получают от них дополнительную кинетическую энергию. Работа над газом - это передача энергии в форме макропроцессов. Когда поршень, перемещаясь в некотором цилиндре, сжимает газ, то молекулам газа за счет движения поршня передается дополнительная энергия и газ нагревается.

Исторически развитие термодинамики было связано с необходимостью теоретического объяснения работы теплового двигателя. При сжигании топлива выделялось определенное количество тепла, и некоторая часть его DQ (рис.10.2) передавалась рабочему телу (обычно газу). Газ нагревался, и его внутренняя энергия увеличивалась на величину DU. Расширяясь, газ совершал работу DA. Отсюда принято считать DQ > 0, когда термодинамическая система получает тепло, и DA > 0, когда эта система совершает работу. Огромная совокупность опытных фактов с учетом законов сохранения показывала, что в термодинамической системе, в которой протекают тепловые и механические процессы, всегда должно выполняться равенство

DQ = DU + DA. (10.3)

Уравнение (10.3) представляет собой содержание первого начала (закона) термодинамики. Словами его можно выразить следующим образом: количество тепла DQ, сообщенное системе, идет на приращение внутренней энергии системы DU и на совершение системой работы DA над внешними телами.

Следует отметить, что в равенстве (10.3) величина U является функцией состояния и однозначно определяется термодинамическими параметрами состояния. Величины Q и A не есть функции состояния. Они зависят не только от начального и конечного состояния системы, но и от пути изменения ее состояния.

Из равенства (10.3) следует, что единицей измерения тепла служит джоуль

ВВЕДЕНИЕ.