Fyzika

Obrázek 1. Tato varná konvice představuje energii v pohybu. Voda v konvici se obrací na vodní páru, protože teplo se přenáší ze sporáku do konvice. Jak se celý systém zahřeje, práce se provádí-od odpařování vody až po pískání konvice. (kredit: Gina Hamilton)

Pokud máme zájem o to, jak se přenos tepla přeměňuje na práci, pak je důležitá ochrana energetického principu., První zákon termodynamiky aplikuje princip zachování energie na systémy, kde přenos tepla a práce jsou způsoby přenosu energie do a ze systému. První zákon termodynamiky říká, že změna vnitřní energie soustavy se rovná čistý přenos tepla do systému minus čistá práce, kterou systém. Ve formě rovnice je první zákon termodynamiky ΔU = Q-W.

zde ΔU je změna vnitřní energie u systému., Q je čisté teplo přenášené do systému-to znamená, že Q je součtem veškerého přenosu tepla do a ze systému. W je čistá práce prováděná systémem-to znamená, že W je součtem veškeré práce provedené na systému nebo v systému. Používáme následující znakové konvence: pokud je Q pozitivní, pak do systému dochází k čistému přenosu tepla; pokud je W pozitivní, pak systém provádí čistou práci. Takže pozitivní Q dodává energii do systému a pozitivní W bere energii ze systému. Tedy ΔU = Q − W., Všimněte si také, že pokud více tepla do systému, než dojde k práci, rozdíl je uložen jako vnitřní energie. Dobrým příkladem jsou tepelné motory-přenos tepla do nich probíhá tak, aby mohli pracovat. (Viz Obrázek 2.) Nyní budeme zkoumat Q, W a ΔU dále.

Obrázek 2. První zákon termodynamiky je zachování-energie, princip je uvedeno pro systém, kde je teplo a práce jsou metody přenosu energie pro systém v tepelné rovnováze., Q představuje čistý přenos tepla-jedná se o součet všech přenosů tepla do a ze systému. Q je pozitivní pro přenos čistého tepla do systému. W je celková práce prováděná na systému a systémem. W je pozitivní, když systém provádí více práce než na něm. Změna vnitřní energie systému, ΔU, souvisí s teplem a prací podle prvního zákona termodynamiky, ΔU = Q − W.,

Teplo Q a Práce W

přenos Tepla (Q) a práce (W) jsou dvě každodenní přivedení energie do nebo brát energii ze systému. Procesy jsou zcela odlišné., Přenos tepla, méně organizovaný proces, je poháněn teplotními rozdíly. Práce, poměrně organizovaný proces, zahrnuje makroskopickou sílu vyvíjenou na dálku. Teplo a práce však mohou přinést stejné výsledky.Například oba mohou způsobit zvýšení teploty. Přenos tepla do systému, například když slunce ohřívá vzduch v pneumatice jízdních kol, může zvýšit jeho teplotu, a tak může pracovat na systému, jako když cyklista pumpuje vzduch do pneumatiky. Jakmile dojde ke zvýšení teploty, není možné zjistit, zda to bylo způsobeno přenosem tepla nebo prací., Tato nejistota je důležitým bodem. Přenos tepla a práce jsou energie v tranzitu—ani jeden není uložen jako takový v systému. Oba však mohou změnit vnitřní energii u systému. Vnitřní energie je forma energie zcela odlišná od tepla nebo práce.

vnitřní energie u

můžeme přemýšlet o vnitřní energii systému dvěma různými, ale konzistentními způsoby. První je atomový a molekulární pohled, který zkoumá systém V atomovém a molekulárním měřítku., Vnitřní energie u systému je součtem kinetických a potenciálních energií jeho atomů a molekul. Připomeňme, že kinetická a potenciální energie se nazývá mechanická energie. Vnitřní energie je tedy součtem atomové a molekulární mechanické energie. Protože není možné sledovat všechny jednotlivé atomy a molekuly, musíme se vypořádat s průměry a distribucí. Druhý způsob, jak zobrazit vnitřní energii systému, je z hlediska jeho makroskopických charakteristik, které jsou velmi podobné atomovým a molekulárně průměrným hodnotám.,

Makroskopicky, definujeme změnu vnitřní energie ΔU být dána tím, že první termodynamický zákon: ΔU = Q− W.

Mnoho podrobných experimentů ověřeno, že ΔU = Q − W, kde ΔU je změna v celkové kinetické a potenciální energie všech atomů a molekul v systému. Experimentálně bylo také stanoveno, že vnitřní energie u systému závisí pouze na stavu systému a nikoli na tom, jak dosáhl tohoto stavu., Konkrétněji se u považuje za funkci několika makroskopických veličin (například tlak, objem a teplota), nezávisle na minulé historii, jako je například přenos tepla nebo práce. Tato nezávislost znamená, že pokud známe stav systému, můžeme vypočítat změny jeho vnitřní energie U z několika makroskopických proměnných.,

získat lepší představu o tom, jak přemýšlet o vnitřní energii systému, pojďme prozkoumat systém ze stavu 1 do Stavu 2., Systém má vnitřní energii U1 ve stavu 1 a má vnitřní energii U2 ve stavu 2, bez ohledu na to, jak se dostala do obou států. Takže změna vnitřní energie ΔU = U2-U1 je nezávislá na tom, co způsobilo změnu. Jinými slovy, ΔU je nezávislá na cestě. Cestou máme na mysli způsob, jak se dostat z výchozího bodu do koncového bodu. Proč je tato nezávislost důležitá? Všimněte si, že ΔU = Q-W. jak Q, tak Wzávisí na cestě, ale ΔU ne. Tato cesta nezávislost znamená, že vnitřní energie U je jednodušší, aby zvážila, než buď přenos tepla nebo práci.

Příklad 1., Výpočet Změny Vnitřní Energie: Stejné Změny U je Produkován Dva Různé Procesy

1. Předpokládám, že tam je přenos tepla z 40.00 J k systému, zatímco systém 10.00 J práce. Později dochází k přenosu tepla 25.00 J ze systému, zatímco 4.00 J práce se provádí na systému. Jaká je čistá změna vnitřní energie systému?
2. jaká je změna vnitřní energie systému, když dojde k celkovému přenosu tepla 150.00 J Z (Z) systému a 159.00 J práce na systému? (Viz Obrázek 3).,

obrázek 3. Dvě různé procesy produkují stejnou změnu v systému. (a) celkem 15.00 J přenosu tepla dochází do systému, zatímco práce má celkem 6.00 J. změna vnitřní energie ΔU=Q−W=9.00 J. (b) přenos Tepla odstraňuje 150.00 J ze systému, zatímco práce klade 159.00 J na to, produkovat zvýšení 9.00 J vnitřní energie., Pokud systém začíná ve stejném stavu, v (a) a (b), skončí ve stejný konečný stav v každém případě—jeho konečný stav souvisí s vnitřní energií, ne jak ta energie byla získána.

Strategie

V části 1, musíme nejprve najít čistý přenos tepla a čisté práci z dané informace. Poté lze k nalezení změny vnitřní energie použít první zákon termodynamiky (ΔU = Q − W). V části b) je uveden čistý přenos tepla a práce, takže rovnice může být použita přímo.,

Řešení pro Část 1

čistý přenos tepla je přenos tepla do systému minus přenos tepla ze systému, nebo

Q = 40.00 J − 25.00 J = 15.00 J.

Podobně, celková práce je práce do systému minus práce konaná na systému, nebo

W = 10.00 J − 4.00 J = 6.00 J.

Tak změna vnitřní energie je dána tím, že první termodynamický zákon:

ΔU = Q − W = 15.00 J − 6.00 J = 9.00 J.,

můžeme také najít změnu vnitřní energie pro každý ze dvou kroků. Za prvé, zvažte 40.00 J přenosu tepla a 10.00 J fungovat, nebo ΔU1 = Q1 − W1 = 40.00 J − 10.00 J = 30.00 J.

Nyní se podívejme 25.00 J přenosu tepla a 4.00 J o práci v, nebo

ΔU2 = Q2 − W2 = -25.00 J −(-4.00 J) = -21.00 J.

celková změna je součet těchto dvou kroků, nebo ΔU = ΔU1 + ΔU2 = 30.00 J + (-21.00 J) = 9.00 J.,

Diskuse na Část 1

Bez ohledu na to, zda se podíváte na celkový proces, nebo to rozdělit do kroků, změna vnitřní energie je stejná.

Řešení pro Část 2

čistý přenos tepla a celkové práce jsou uvedeny přímo být Q=-150.00 J a W=-159.00 J, tak, že

ΔU = Q – W = -150.00 J –(-159.00 J) = 9.00 J.

Diskuse o Část 2

velmi odlišný proces v části 2 produkuje stejné 9.00-J. změna vnitřní energie jako v části 1., Všimněte si, že změna systému v obou částech souvisí s ΔU a nikoli s jednotlivými zúčastněnými Qs nebo Ws. Systém končí ve stejném stavu v obou částech. Části 1 a 2 představují dvě různé cesty pro systém sledovat mezi stejné počáteční a koncové body, a změnu vnitřní energie u každého je stejný—to je nezávislé na cestu.

Lidského Metabolismu a První Zákon Termodynamiky

Lidský metabolismus je přeměna potravin na přenos tepla, práce a uložený tuk. Metabolismus je zajímavým příkladem prvního zákona termodynamiky v akci., Nyní se na tato témata podíváme prostřednictvím prvního zákona termodynamiky. S ohledem na tělo jako na systém zájem, můžeme použít první zákon zkoumat přenos tepla, práce a vnitřní energie v činnosti v rozmezí od spánku k těžkému cvičení. Jaké jsou některé z hlavních charakteristik přenosu tepla, práce a energie v těle? Za prvé, tělesná teplota je obvykle udržována konstantní přenosem tepla do okolí. To znamená, že Q je negativní. Dalším faktem je, že tělo obvykle pracuje na vnějším světě. To znamená, že W je pozitivní., V takových situacích pak tělo ztrácí vnitřní energii, protože ΔU = Q-W je negativní.

nyní zvažte účinky jídla. Jídlo zvyšuje vnitřní energii těla přidáním energie chemického potenciálu (to je neromantický pohled na dobrý steak). Tělo metabolizuje veškeré jídlo, které konzumujeme. Metabolismus je v podstatě oxidační proces, při kterém se uvolňuje chemická potenciální energie potravin. To znamená, že vstup potravin je ve formě práce. Potravinová energie je hlášena ve speciální jednotce, známé jako kalorie., Tato energie se měří spalováním potravin v kalorimetru, což je způsob, jakým jsou jednotky určeny.

V chemii a biochemii, jedna kalorie (psáno s malými písmeny c) je definována jako energie (nebo tepla) potřebné ke zvýšení teploty jednoho gramu čisté vody o jeden stupeň Celsia. Odborníci na výživu a pozorovatelé hmotnosti mají tendenci používat dietní kalorie, která se často nazývá kalorie (špalda s velkým C). Jedna potravinová kalorie je energie potřebná ke zvýšení teploty jednoho kilogramu vody o jeden stupeň Celsia., To znamená, že jedna dietní kalorie se rovná jedné kilokalorii pro chemika a člověk musí být opatrný, aby se zabránilo záměně mezi nimi.

opět zvažte vnitřní energii, kterou tělo ztratilo. Existují tři místa, která tato vnitřní energie může jít-na přenos tepla, na práci a na uložený tuk (malý zlomek také jde na opravu a růst buněk). Přenos tepla a práce odvádějí vnitřní energii z těla a jídlo ji vrací zpět. Pokud jíte správné množství jídla, pak vaše průměrná vnitřní energie zůstává konstantní., Cokoli ztratíte při přenosu tepla a práci je nahrazeno jídlem, takže z dlouhodobého hlediska ΔU=0. Pokud se opakovaně přejídáte, pak ΔU je vždy pozitivní a vaše tělo ukládá tuto extra vnitřní energii jako tuk. Opak je pravdou, Pokud jíte příliš málo. Pokud ΔU je negativní na pár dní, pak tělo metabolizuje vlastní tuk k udržení tělesné teploty a dělat práci, která bere energii z těla. Tento proces je, jak dieta produkuje hubnutí.

život není vždy tak jednoduchý, jak ví každý dieter., Tělo ukládá tuk nebo ho metabolizuje pouze v případě, že se příjem energie změní po dobu několika dnů. Jakmile jste byli na hlavní stravě, další je méně úspěšný, protože vaše tělo mění způsob, jakým reaguje na nízký příjem energie. Vaše bazální metabolická rychlost (BMR) je rychlost, při které se jídlo přemění na přenos tepla a práci, zatímco tělo je v naprostém klidu. Tělo upravuje bazální metabolismus, aby částečně kompenzovalo nadměrné stravování nebo nedostatečné stravování. Tělo sníží rychlost metabolismu, než aby odstranilo svůj vlastní tuk, aby nahradilo ztracený příjem potravy., Budete chladit snadněji a cítit se méně energický v důsledku nižší rychlosti metabolismu a nebudete zhubnout tak rychle jako dříve. Cvičení pomáhá zhubnout, protože produkuje jak přenos tepla z těla, tak z práce a zvyšuje rychlost metabolismu, i když jste v klidu. Hubnutí je také podporovaný poměrně nízká účinnost v těle při přeměně vnitřní energie na práci, tak, že úbytek vnitřní energie vyplývající z práce je mnohem větší, než práci.Je třeba poznamenat, však, že živé systémy nejsou v thermalequilibrium.,

tělo nám poskytuje vynikající indikaci, že mnoho termodynamických procesů je nevratných. Nevratný proces může jít v jednom směru, ale ne naopak, za daného souboru podmínek. Například, ačkoli tělesný tuk může být přeměněn na práci a produkovat přenos tepla, práce na těle a přenos tepla do něj nelze převést na tělesný tuk. Jinak bychom mohli vynechat oběd tím, že bychom se opalovali nebo šli po schodech dolů. Dalším příkladem nevratného termodynamického procesu je fotosyntéza., Tento proces je příjem jedné formy energie-světla-rostlinami a jeho přeměna na energii chemického potenciálu. Obě aplikace prvního zákona termodynamiky jsou znázorněny na obrázku 4. Velkou výhodou zákony zachování jako první zákon termodynamiky je, že se přesně popsat začátek a konec bodů složitých procesů, jako je metabolismus a fotosyntéza, a to bez ohledu na komplikace v mezi. Tabulka 1 uvádí souhrn pojmů vztahujících se k prvnímu zákonu termodynamiky.,

obrázek 4. a) první zákon termodynamiky aplikovaný na metabolismus. Teplo přenášené z těla (Q) A práce prováděné tělem (W) odstraňují vnitřní energii, zatímco příjem potravy ji nahrazuje. (Příjem potravy může být považován za práci na těle.) b) rostliny přeměňují část sálavého přenosu tepla na sluneční světlo na uloženou chemickou energii, proces zvaný fotosyntéza.

Oddíl Shrnutí

• první zákon termodynamiky je uveden jako ΔU = Q − W, kde ΔU je změna vnitřní energie systému, Q je čistý přenos tepla (součet všech přenos tepla do a ze systému), a W je čistá práce (součet veškeré práce provádí na nebo v systému).
• Q I W jsou energie v tranzitu; pouze ΔU představuje nezávislé množství, které je možné skladovat.,
• vnitřní energie u systému závisí pouze na stavu systému a nikoli na tom, jak dosáhl tohoto stavu.
• metabolismus živých organismů a fotosyntéza rostlin jsou specializované typy přenosu tepla, práce a vnitřní energie systémů.

Slovníček pojmů

první zákon termodynamiky: uvádí, že změna vnitřní energie soustavy se rovná čistý přenos tepla do systému minus čistá práce vykonaná systémem,

vnitřní energie: součet kinetické a potenciální energie systému atomů a molekul,

lidský metabolismus: přeměna potravin na přenos tepla, práce, a uložený tuk.