Fysik

Figur 1. Denne kogende tekedel repræsenterer energi i bevægelse. Vandet i kedlen bliver til vanddamp, fordi varmen overføres fra ovnen til kedlen. Da hele systemet bliver varmere, udføres arbejdet-fra fordampning af vandet til fløjtning af kedlen. (kredit: Gina Hamilton)

Hvis vi er interesserede i, hvordan varmeoverførsel omdannes til at udføre arbejde, er bevarelse af energiprincippet vigtigt., Den første lov om termodynamik anvender bevarelse af energiprincippet til systemer, hvor varmeoverførsel og arbejde er metoderne til at overføre energi til og ud af systemet. Den første lov om termodynamik hedder det, at ændringen i indre energi af et system er lig med netto varmeoverførsel til systemet minus netto arbejde udført af systemet. I ligningsform er termodynamikens første lovuu=. – W..

Her er changeu ændringen i systemets indre energi U., Q er den netto varme, der overføres til systemet—det vil sige, Q er summen af al varmeoverførsel ind og ud af systemet. W er det nettoarbejde, der udføres af systemet-det vil sige, is er summen af alt arbejde, der udføres på eller af systemet. Vi bruger følgende tegnkonventioner: hvis positive er positiv, så er der en netto varmeoverførsel til systemet; hvis.er positiv, så er der nettoarbejde udført af systemet. Så positiv adds tilføjer energi til systemet, og positiv takes tager energi fra systemet. Såledesuu = Q-W.., Bemærk også, at hvis der sker mere varmeoverførsel til systemet end udført arbejde, gemmes forskellen som intern energi. Varmemotorer er et godt eksempel på dette—varmeoverførsel til dem finder sted, så de kan arbejde. (Se Figur 2.) Vi vil nu undersøge further, W oguu yderligere.

Figur 2. Den første lov om termodynamik er bevarelse af energi-princippet for et system, hvor varme og arbejde er metoderne til at overføre energi til et system i termisk ligevægt., Q repræsenterer netto varmeoverførsel-det er summen af alle varmeoverførsler ind og ud af systemet. Q er positiv for netto varmeoverførsel til systemet. W er det samlede arbejde udført på og af systemet. Positive er positiv, når mere arbejde udføres af systemet end på det. Ændringen i systemets indre energi ,UU, er relateret til varme og arbejde ved den første lov om termodynamik ,UU = − – W..,

varme and og arbejde

varmeoverførsel (and) og arbejde (Di) er de to daglige midler til at bringe energi ind i eller tage energi ud af et system. Processerne er helt forskellige., Varmeoverførsel, en mindre organiseret proces, drives af temperaturforskelle. Arbejde, en ret organiseret proces, involverer en makroskopisk kraft, der udøves gennem en afstand. Ikke desto mindre kan varme og arbejde give identiske resultater.For eksempel kan begge forårsage en temperaturstigning. Varmeoverførsel til et system, som når solen varmer luften i et cykeldæk, kan øge temperaturen, og det kan også arbejde på systemet, som når cyklisten pumper luft ind i dækket. Når temperaturstigningen er sket, er det umuligt at sige, om det skyldes varmeoverførsel eller ved at arbejde., Denne usikkerhed er et vigtigt punkt. Varmeoverførsel og arbejde er både energi i transit-hverken opbevares som sådan i et system. Begge kan dog ændre den interne energi U i et system. Intern energi er en form for energi, der er helt forskellig fra enten varme eller arbejde.

intern energi U

Vi kan tænke på den interne energi i et system på to forskellige, men konsistente måder. Den første er den atomare og molekylære visning, som undersøger systemet på atomare og molekylære skala., Den indre energi U i et system er summen af de kinetiske og potentielle energier af dets atomer og molekyler. Husk at kinetic plus potentiel energi kaldes mekanisk energi. Således indre energi er summen af atomare og molekylære mekaniske energi. Fordi det er umuligt at holde styr på alle individuelle atomer og molekyler, skal vi håndtere gennemsnit og distributioner. En anden måde at se et systems indre energi på er med hensyn til dets makroskopiske egenskaber, som meget ligner atomare og molekylære gennemsnitsværdier.,

Makroskopisk, vi definerer ændringen i indre energi ΔU at være, at i betragtning af termodynamikkens første lov: ΔU = Q− W.

Mange detaljerede eksperimenter har bekræftet, at ΔU = Q − W, hvor ΔU er ændringen i den samlede kinetiske og potentielle energi af alle atomer og molekyler i et system. Det er også eksperimentelt bestemt, at den interne energi U i et system kun afhænger af systemets tilstand og ikke hvordan det nåede denne tilstand., Mere specifikt viser U sig at være en funktion af nogle få makroskopiske mængder (tryk, volumen og temperatur, for eksempel), uafhængigt af tidligere historie, såsom om der har været varmeoverførsel eller udført arbejde. Denne uafhængighed betyder, at hvis vi kender et systems tilstand, kan vi beregne ændringer i dets indre energi U fra nogle få makroskopiske variabler.,

for at få en bedre ID.om, hvordan man tænker på den interne energi i et system, lad os undersøge et system, der går fra stat 1 til stat 2., Systemet har intern energi U1 i tilstand 1, og det har intern energi U2 i tilstand 2, uanset hvordan det kom til begge stater. Så ændringen i intern energi =u = U2 − U1 er uafhængig af, hvad der forårsagede ændringen. Med andre ord eruu uafhængig af stien. Med sti mener vi metoden til at komme fra startpunktet til slutpunktet. Hvorfor er denne uafhængighed vigtig? Bemærk, at Bothu = − – W.. både Both og Wafhænger af stien, MENUU gør det ikke. Denne vej uafhængighed betyder, at intern energi U er lettere at overveje end enten varmeoverførsel eller arbejde.

eksempel 1., Beregning af ændring i intern energi: den samme ændring i U produceres af to forskellige processer

1. Antag, at der er varmeoverførsel på 40,00 J til et system, mens systemet udfører 10,00 J arbejde. Senere er der varmeoverførsel på 25,00 J ud af systemet, mens 4,00 J arbejde udføres på systemet. Hvad er nettoændringen i systemets interne energi?
2. hvad er ændringen i intern energi i et system, når I alt 150,00 J varmeoverførsel sker ud af (fra) systemet og 159,00 J arbejde udføres på systemet? (Se Figur 3).,

Figur 3. To forskellige processer producerer den samme ændring i et system. (en) i alt 15.00 J heat transfer opstår i systemet, mens arbejdet tager alt 6.00 J. ændringen i indre energi er ΔU=Q−W=9.00 J. (b) varmeoverførsel fjerner 150.00 J fra systemet, mens arbejde sætter 159.00 J til den, der producerer en stigning på 9,00 J i indre energi., Hvis systemet starter i samme tilstand i (A) og (B), vil det ende i samme endelige tilstand i begge tilfælde—dets endelige tilstand er relateret til intern energi, ikke hvordan denne energi blev erhvervet.

strategi

i Del 1 skal vi først finde netto varmeoverførsel og netto arbejde udført fra de givne oplysninger. Derefter kan den første lov om termodynamik (uu=− -.) bruges til at finde ændringen i intern energi. I del (B) gives netto varmeoverførsel og udført arbejde, så ligningen kan bruges direkte.,

Løsning for Del 1

net heat transfer er varmeoverførslen i systemet minus varmeoverførsel ud af systemet, eller

Q = 40.00 J − 25.00 J = 15.00 J.

på samme måde, det samlede arbejde er det arbejde, der udføres af systemet minus det arbejde, der udføres på systemet, eller

W = 10.00 J − 4.00 J = 6.00 J.

Således ændringen i indre energi er givet ved den første lov om termodynamik:

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

Vi kan også finde ændringen i intern energi for hvert af de to trin. Først, overveje 40.00 J varmeoverførsel i og 10.00 J af arbejde ud, eller ΔU1 = Q1 − W1 = 40.00 J − 10.00 J = 30.00 J.

Nu overveje 25.00 J varmeoverførsel ud og 4.00 J af arbejde i, eller

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

Den samlede ændring er summen af disse to trin, eller ΔU = ΔU1 + ΔU2 = 30.00 J + (-21.00 J) = 9.00 J.,

diskussion om Del 1

uanset om du ser på den samlede proces eller opdeler den i trin, er ændringen i intern energi den samme.

Løsning til Del 2

Her net heat transfer og alt arbejde er givet direkte til at være Q=-150.00 J og W=-159.00 J, således at

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

Diskussion på Del 2

En meget anderledes proces i del 2 giver samme 9.00-J ændring i indre energi, som i del 1., Bemærk, at ændringen i systemet i begge dele er relateret tiluu og ikke til de enkelte involveds eller involveds involveret. Systemet ender i samme tilstand i begge dele. Del 1 og 2 præsenterer to forskellige veje for systemet at følge mellem de samme Start—og slutpunkter, og ændringen i intern energi for hver er den samme-den er uafhængig af STI.

Human metabolisme og den første lov om termodynamik

Human metabolisme er omdannelsen af mad til varmeoverførsel, arbejde og opbevaret fedt. Metabolisme er et interessant eksempel på termodynamikens første lov i aktion., Vi tager nu endnu et kig på disse emner via den første lov om termodynamik. I betragtning af kroppen som det interessante system kan vi bruge den første lov til at undersøge varmeoverførsel, arbejde og intern energi i aktiviteter, der spænder fra søvn til tung træning. Hvad er nogle af de vigtigste egenskaber ved varmeoverførsel, arbejde og energi i kroppen? For en holdes kropstemperaturen normalt konstant ved varmeoverførsel til omgivelserne. Dette betyder, at Q er negativ. En anden kendsgerning er, at kroppen normalt arbejder på omverdenen. Det betyder, at W er positiv., I sådanne situationer mister kroppen indre energi, dauu=− -. er negativ.

overvej nu virkningerne af at spise. Spise øger kroppens indre energi ved at tilføje kemisk potentiel energi (Dette er et uromantisk syn på en god bøf). Kroppen metaboliserer al den mad, vi spiser. Grundlæggende er metabolisme en O .idationsproces, hvor den kemiske potentielle energi af fødevarer frigives. Dette indebærer, at fødevareinput er i form af arbejde. Mad energi er rapporteret i en særlig enhed, kendt som kalorieindhold., Denne energi måles ved at brænde mad i et kalorimeter, hvilket er, hvordan enhederne bestemmes.

i Kemi og biokemi defineres en kalorie (stavet med små bogstaver c) som den energi (eller varmeoverførsel), der kræves for at hæve temperaturen på et gram rent vand med en grad celsius. Ernæringseksperter og wateight-watatchers tendens til at bruge kosten kalorie, som ofte kaldes en kalorie (stavet med et stort C). En madkalorie er den energi, der er nødvendig for at hæve temperaturen på et kilo vand med en grad celsius., Dette betyder, at en diætkalorie er lig med en kilokalorie for kemikeren, og man skal være forsigtig med at undgå forvirring mellem de to.

overvej igen den indre energi, som kroppen har mistet. Der er tre steder, denne interne energi kan gå-til varmeoverførsel, til at udføre arbejde og til opbevaret fedt (en lille brøkdel går også til cellereparation og vækst). Varmeoverførsel og arbejde tager intern energi ud af kroppen, og mad sætter den tilbage. Hvis du spiser lige den rigtige mængde mad, forbliver din gennemsnitlige indre energi konstant., Uanset hvad du taber til varmeoverførsel og arbejde er erstattet af mad, så i det lange løb ΔU=0. Hvis du overspiser gentagne gange, ERUU altid positiv, og din krop opbevarer denne ekstra indre energi som fedt. Det modsatte er sandt, hvis du spiser for lidt. Hvisuu er negativ i et par dage, metaboliserer kroppen sit eget fedt for at opretholde kropstemperaturen og udføre arbejde, der tager energi fra kroppen. Denne proces er, hvordan slankekure producerer vægttab.

livet er ikke altid så simpelt, som enhver dieter ved., Kroppen opbevarer fedt eller metaboliserer det kun, hvis energiindtaget ændres i en periode på flere dage. Når du har været på en større diæt, er den næste mindre vellykket, fordi din krop ændrer den måde, den reagerer på lavt energiindtag. Din basale metaboliske hastighed (BMR) er den hastighed, hvormed mad omdannes til varmeoverførsel og arbejde udført, mens kroppen er i fuldstændig hvile. Kroppen justerer sin basale metaboliske hastighed for delvist at kompensere for overspisning eller underspisning. Kroppen vil reducere stofskiftet i stedet for at fjerne sit eget fedt for at erstatte tabt fødeindtagelse., Du vil helt sikkert slappe lettere og føler mindre energisk på grund af den lavere stofskifte, og du vil bestemt ikke tabe sig så hurtigt som før. Motion hjælper med at tabe sig, fordi det producerer både varmeoverførsel fra din krop og arbejde, og hæver din metaboliske hastighed, selv når du er i ro. Vægttab hjælpes også af kroppens ret lave effektivitet ved at konvertere intern energi til arbejde, så tabet af intern energi som følge af arbejde er meget større end arbejdet done.It skal dog bemærkes, at levende systemer ikke er i termiskligevægt.,

kroppen giver os en fremragende indikation af, at mange termodynamiske processer er irreversible. En irreversibel proces kan gå i en retning, men ikke omvendt, under et givet sæt betingelser. For eksempel, selvom kropsfedt kan konverteres til at udføre arbejde og producere varmeoverførsel, kan arbejde udført på kroppen og varmeoverførsel til det ikke konverteres til kropsfedt. Ellers kunne vi springe frokost over ved at solede os selv eller ved at gå ned ad trappen. Et andet eksempel på en irreversibel termodynamisk proces er fotosyntese., Denne proces er indtagelsen af en form for energi—lys—af planter og dens omdannelse til kemisk potentiel energi. Begge anvendelser af den første lov om termodynamik er illustreret i figur 4. En stor fordel ved bevaringslove som termodynamikens første lov er, at de nøjagtigt beskriver begyndelses-og slutpunkterne for komplekse processer, såsom metabolisme og fotosyntese, uden hensyntagen til komplikationerne imellem. Tabel 1 viser et resum.af termer, der er relevante for termodynamikens første lov.,

Figur 4. (a) den første lov om termodynamik anvendt på metabolisme. Varme overført ud af kroppen ()) og arbejde udført af kroppen ()) fjerner intern energi, mens fødeindtagelse erstatter det. (Fødeindtagelse kan betragtes som arbejde udført på kroppen.) (B) planter konverterer en del af strålevarmeoverførslen i sollys til opbevaret kemisk energi, en proces kaldet fotosyntese.

– Afsnittet Resumé

• termodynamikkens første lov er givet som ΔU = Q − W, hvor ΔU er ændringen i indre energi af et system, Q er netto heat transfer (summen af alle heat transfer ind og ud af systemet), og W er netto arbejde (summen af alt arbejde, der udføres på eller af systemet).
• både Both og W er energi i transit; kunuu repræsenterer en uafhængig mængde, der kan opbevares.,
• den interne energi U i et system afhænger kun af systemets tilstand og ikke hvordan det nåede denne tilstand.
• metabolisme af levende organismer og fotosyntese af planter er specialiserede typer varmeoverførsel, arbejde og intern energi i systemer.

Ordbog

første lov om termodynamik: angiver, at ændringen i den indre energi af et system er lig med netto heat transfer i systemet minus netto arbejde, der udføres af systemet

det indre energi: summen af den kinetiske og potentielle energi af et system, atomer og molekyler

det menneskelige stofskifte: omdannelse af fødevarer til varmeoverførsel, arbejde, og lagret fedt