Fysiikka

Kuva 1. Kiehuva teekannu edustaa liikkeessä olevaa energiaa. Vesi kattilassa on kääntymässä vesihöyryä, koska lämpö siirretään liesi vedenkeitin. Kun koko järjestelmä kuumenee, työtä tehdään – veden haihtumisesta veden vihellykseen. (luotto: Gina Hamilton)

Jos olemme kiinnostuneita siitä, miten lämmön siirto muunnetaan tekee työtä, niin säästö on tärkeä periaate., Termodynamiikan ensimmäinen laki koskee säästö periaate järjestelmiin, joissa lämmönsiirto ja tekee työtä on menetelmät siirtää energiaa sisään ja ulos järjestelmä. Termodynamiikan ensimmäisen lain mukaan systeemin sisäisen energian muutos on yhtä kuin nettolämmön siirto järjestelmään miinus järjestelmän tekemä nettolämpötyö. Yhtälössä muodossa, termodynamiikan ensimmäinen laki on ΔU = Q − W.

Tässä ΔU on sisäisen energian muutos U järjestelmän., Q on järjestelmään siirretty nettolämpö-eli Q on kaiken lämmönsiirron summa järjestelmään ja siitä ulos. W on net työhön—järjestelmä -, että on, W on summa kaikkien työtä tai järjestelmää. Käytämme seuraavia allekirjoittaa sopimuksia: jos Q on positiivinen, niin on net lämmön siirto järjestelmään; jos W on positiivinen, niin on net työtä järjestelmän. Niin positiivinen Q lisää energiaa järjestelmään ja positiivinen W vie energiaa järjestelmästä. Täten ΔU = Q-W., Huomaa myös, että jos järjestelmään tapahtuu enemmän lämmönsiirtoa kuin työtä, ero varastoituu sisäisenä energiana. Lämpövoimakoneet ovat tästä hyvä esimerkki-lämmönsiirto niihin tapahtuu niin, että ne voivat tehdä työtä. (KS. Kuva 2.) Tutkimme nyt Q: ta, W: tä ja δua edelleen.

Kuva 2. Termodynamiikan ensimmäinen laki on the conservation-of-energia-periaate ilmoitettu järjestelmä, jossa lämpö ja työ ovat menetelmiä siirtää energiaa järjestelmän terminen tasapaino., Q edustaa nettolämmönsiirtoa—se on kaikkien lämmönsiirtojen summa järjestelmään ja ulos. Q on positiivinen nettolämmön siirtoon järjestelmään. W on koko työ tehdään ja järjestelmän. W on positiivinen, kun järjestelmä tekee enemmän työtä kuin sen. Muutos sisäinen energia järjestelmä, ΔU, liittyy lämmön ja työn ensimmäinen laki termodynamiikan, ΔU = Q − W.,

Lämpö Q ja Työ W

lämmönsiirron (K) ja työ (W) on kaksi arjen keinot tuoda energiaa tai vie energiaa ulos järjestelmä. Prosessit ovat aivan erilaisia., Lämmönsiirron, vähemmän organisoidun prosessin, taustalla ovat lämpötilaerot. Työ, melko organisoitu prosessi, sisältää makroskooppisen voiman, joka kohdistuu etäisyyden kautta. Lämpö ja työ voivat kuitenkin tuottaa samanlaisia tuloksia.Molemmat voivat esimerkiksi aiheuttaa lämpötilan nousua. Lämmön siirto järjestelmään, kuten silloin, kun Aurinko lämmittää ilmaa polkupyörän rengas, voi lisätä sen lämpötila, ja niin voi tehdä järjestelmästä, kuin silloin, kun pyöräilijä pumppaa ilmaa renkaaseen. Kun lämpötilan nousu on tapahtunut, on mahdotonta sanoa, onko se oli aiheuttaman lämmön siirto tai tekemällä työtä., Tämä epävarmuus on tärkeä asia. Lämmönsiirto ja työ ovat sekä kauttakulkuenergiaa – kumpaakaan ei varastoida sellaisenaan järjestelmään. Molemmat voivat kuitenkin muuttaa järjestelmän sisäistä energiaa U. Sisäinen energia on energian muoto, joka eroaa täysin joko lämmöstä tai työstä.

sisäinen energia U

voimme ajatella järjestelmän sisäistä energiaa kahdella eri mutta johdonmukaisella tavalla. Ensimmäinen on atomien ja molekyylien näkemys, joka tutkii järjestelmää atomi-ja molekyyliasteikolla., Systeemin sisäinen energia U on sen atomien ja molekyylien liike-ja potentiaalienergioiden summa. Muista, että kineettistä ja potentiaalista energiaa kutsutaan mekaaniseksi energiaksi. Näin sisäinen energia on atomien ja molekyylien mekaanisen energian summa. Koska on mahdotonta seurata kaikkia yksittäisiä atomeja ja molekyylejä, meidän on käsiteltävä keskiarvoja ja jakaumia. Toinen tapa tarkastella sisäinen energia järjestelmä on suhteessa sen makroskooppinen ominaisuuksia, jotka ovat hyvin samankaltaisia atomien ja molekyylien keskimääräisiä arvoja.,

Makroskooppisesti, me määrittelemme sisäisen energian muutos ΔU olla, että annetaan termodynamiikan ensimmäinen laki: ΔU = Q− W.

Monet yksityiskohtaiset kokeet ovat vahvistaneet, että ΔU = Q − W, missä ΔU on muutos yhteensä liike-ja potentiaalienergia kaikkien atomien ja molekyylien järjestelmässä. Kokeellisesti on myös päätelty, että järjestelmän sisäinen energia U riippuu vain järjestelmän tilasta eikä siitä, miten se saavutti kyseisen tilan., Tarkemmin sanottuna U on todettu funktio muutaman makroskooppisia suureita (paine, tilavuus ja lämpötila, esimerkiksi), riippumaton historiaa, kuten onko ollut siirtää lämpöä tai työtä. Tämä riippumattomuus tarkoittaa sitä, että jos tiedämme, valtion järjestelmän, voimme laskea muutoksia sen sisäinen energia U muutamasta makroskooppisia muuttujia.,

saada parempi käsitys siitä, miten ajatella sisäinen energia järjestelmä, tutkikaamme järjestelmä menee Tilaan 1 Tila 2., Järjestelmässä on sisäinen energia U1 tilassa 1, ja sillä on sisäinen energia U2 tilassa 2, riippumatta siitä, miten se sai kumman tahansa valtion. Sisäisen energian muutos ΔU = U2-U1 on siis riippumaton siitä, mikä muutoksen aiheutti. Toisin sanoen ΔU on polusta riippumaton. Polulla tarkoitetaan tapaa päästä lähtöpaikalta päätepisteeseen. Miksi tämä riippumattomuus on tärkeää? Huomaa, että ΔU = Q-W. sekä Q että Wdepend polulla, mutta ΔU ei. Tämä polku riippumattomuus tarkoittaa, että sisäinen energia U on helpompi harkita kuin joko lämmönsiirto tai tehty työ.

Esimerkki 1., Laskeminen Sisäisen Energian Muutos: Sama Muutos U on Valmistettu Kaksi Eri Prosessien

1. Kai siellä on lämmön siirto 40.00 J järjestelmä, vaikka järjestelmä ei 10.00 J työtä. Myöhemmin lämpö siirtyy 25,00 J pois järjestelmästä, kun taas 4,00 J työtä tehdään järjestelmässä. Mikä on järjestelmän sisäisen energian nettomuutos?
2. Mikä on sisäisen energian muutos järjestelmän kun yhteensä 150.00 J lämmön siirto tapahtuu ulos (maasta) järjestelmä ja 159.00 J työ on tehty järjestelmään? Kuva 3).,

Kuva 3. Kaksi eri prosessia tuottaa saman muutoksen järjestelmässä. (a) yhteensä 15.00 J lämmön siirto tapahtuu järjestelmään, kun työ kestää yhteensä 6.00 J. sisäisen energian muutos on ΔU=Q−W=9.00 J. (b) lämmönsiirto poistaa 150.00 J järjestelmästä, kun työ asettaa 159.00 J osaksi se, joka tuottaa kasvua 9.00 J sisäisen energian., Jos järjestelmä alkaa samassa tilassa (a) ja (b), se päätyy samaan lopullinen valtion kummassakin tapauksessa—sen lopulliseen tilaan liittyy sisäinen energia, ei miten se energia oli hankittu.

Strategia

osa 1, meidän täytyy ensin löytää net lämmönsiirto ja net työstä annettuja tietoja. Silloin voidaan käyttää termodynamiikan ensimmäistä lakia (ΔU = Q − W) sisäisen energian muutoksen löytämiseksi. Osassa (B) annetaan nettolämmönsiirto ja tehty työ, joten yhtälöä voidaan käyttää suoraan.,

Ratkaisu Osa 1

net lämmönsiirto on lämmön siirto järjestelmään miinus lämmön siirto pois järjestelmästä, tai

Q = 40.00 J − 25.00 J = 15.00 J.

Vastaavasti, koko työ on työtä, jota järjestelmä miinus työtä järjestelmän, tai

W = 10.00 J − 4.00 J = 6.00 J.

Näin ollen sisäisen energian muutos saadaan termodynamiikan ensimmäinen laki:

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

voimme myös löytää sisäisen energian muutoksen kummankin vaiheen osalta. Ensimmäinen, harkita 40.00 J lämmönsiirron ja 10.00 J treenata, tai ΔU1 = Q1 − W1 = 40.00 J − 10.00 J = 30.00 J.

Nyt pitää 25.00 J lämmönsiirto pois ja 4,00 J työtä, tai

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

koko muutos on summa nämä kaksi vaihetta, tai ΔU = ΔU1 + ΔU2 = 30.00 J + (-21.00 J) = 9.00 J.,

Keskustelu Osa 1

Ei ole väliä, onko voit tarkastella koko prosessia tai rikkoa sen vaiheet, sisäisen energian muutos on sama.

Ratkaisu Osa 2

Tässä net lämmönsiirto ja yhteensä työhön annetaan suoraan Q=-150.00 J ja W=-159.00 J, niin että

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

Keskustelu Osa 2

hyvin prosessin eri osa 2 tuottaa saman 9.00-J sisäisen energian muutos kuin 1 osassa., Huomaa, että muutos järjestelmän molemmat osat liittyvät ΔU ja ei yksittäisiä Qs tai Ws mukana. Järjestelmä päätyy molemmissa osissa samaan tilaan. Osat 1 ja 2 läsnä kaksi eri polkuja, jotta järjestelmä seuraa välillä sama alkaa ja päättyy pistettä, ja sisäisen energian muutos jokaiselle on sama—se on riippumaton polku.

Ihmisen Aineenvaihduntaa ja Ensimmäinen Laki Termodynamiikan

Ihmisen aineenvaihdunta on muuntaminen ruokaa lämmönsiirto -, työ -, ja varastoida rasvaa. Aineenvaihdunta on mielenkiintoinen esimerkki termodynamiikan ensimmäisestä laista toiminnassa., Nyt tarkastelemme näitä aiheita uudelleen termodynamiikan ensimmäisen lain kautta. Ottaen huomioon kehon järjestelmä kiinnostusta, voimme käyttää ensimmäisen lain tutkia lämmönsiirron, tehdä työtä ja sisäinen energia toimintaan vaihtelevat unen raskas liikunta. Mitkä ovat lämmönsiirron, työn tekemisen ja energian tärkeimpiä ominaisuuksia kehossa? Ensinnäkin ruumiinlämpö pysyy normaalisti vakiona lämmönsiirron myötä ympäristöön. Tämä tarkoittaa, että Q on negatiivinen. Toinen tosiasia on, että keho toimii yleensä ulkomaailmassa. Tämä tarkoittaa, että W on positiivinen., Tällaisissa tilanteissa keho siis menettää sisäistä energiaa, koska ΔU = Q-W on negatiivinen.

mieti nyt syömisen vaikutuksia. Syöminen lisää kehon sisäistä energiaa lisäämällä kemiallista potentiaalienergiaa (tämä on epäromanttinen näkemys hyvästä pihvistä). Keho metaboloi kaiken syömämme ruoan. Pohjimmiltaan aineenvaihdunta on hapettumisprosessi, jossa ruoan kemiallinen potentiaalienergia vapautuu. Tämä tarkoittaa sitä, että elintarvikepanos on työn muodossa. Ruoka-energia ilmoitetaan erikoisyksikössä, joka tunnetaan Kalorina., Tämä energia mitataan polttamalla ruokaa kalorimetrissä, jolloin yksiköt määritetään.

kemia ja biokemia, yksi kalori (kirjoitetaan pienillä kirjaimilla c) on määritelty energia (tai lämmön siirto) tarvitaan nostaa lämpötilaa yksi gramma puhdasta vettä yhden celsiusasteen. Ravitsemusasiantuntijat ja Painonvartijat käyttävät yleensä ravintokaloria, jota kutsutaan usein Kaloriksi (kirjoitetaan pääomalla C). Yksi ruoka Kalori on energiaa tarvitaan nostamaan lämpötila yhden kilogramman vettä yksi Celsiusastetta., Tämä tarkoittaa sitä, että yksi Ravintokalori on yhtä suuri kuin yksi kilokalori kemistille, ja toisen on oltava varovainen, jotta vältetään sekaannus näiden kahden välillä.

taas, harkitse kehon menettämää sisäistä energiaa. On kolme paikkaa, tämä sisäinen energia voi mennä—lämmönsiirto, tehdä työtä ja varastoida rasvaa (pieni murto-osa menee myös solujen korjaus ja kasvu). Lämmönsiirto ja työn tekeminen vievät elimistöstä sisäistä energiaa, ja ruoka laittaa sen takaisin. Jos syöt juuri oikean määrän ruokaa, niin keskimääräinen sisäinen energiasi pysyy vakiona., Mitä menetät lämmönsiirto ja tekee työtä on korvattu ruokaa, niin että pitkällä aikavälillä, ΔU=0. Jos syödä liikaa toistuvasti, sitten ΔU on aina positiivinen, ja elimistö varastoi tämän ylimääräisen energian rasvana. Päinvastoin, jos syö liian vähän. Jos ΔU on negatiivinen muutaman päivän ajan, keho metaboloi oman rasvansa kehon lämpötilan ylläpitämiseksi ja tekee työtä, joka vie energiaa kehosta. Tämä prosessi on, miten laihduttaminen tuottaa laihtuminen.

elämä ei ole aina näin yksinkertaista, kuten kuka tahansa laihduttaja tietää., Elimistö varastoi rasvaa tai metaboloi sitä vain, jos energian saanti muuttuu useiden päivien ajan. Kun sinulla on ollut suuria ruokavalio, seuraava on vähemmän onnistunut, koska elimistö muuttaa, miten se reagoi alhainen energian saanti. Basal aineenvaihdunta kiihtyy (BMR) on nopeus, jolla ruoka on muunnetaan lämmönsiirto ja työtä tehdä, kun laitos on täydessä levossa. Elimistö säätää perusaineenvaihduntaansa niin, että se osittain kompensoi ylisyömistä tai alisyömistä. Elimistö vähentää aineenvaihduntaa eikä poistaa oman rasvan korvata menetetty elintarvikkeiden saanti., Voit chill helpommin ja tuntuu vähemmän energinen seurauksena alhaisempi aineenvaihdunta kiihtyy, ja sinun ei laihtua niin nopeasti kuin ennen. Liikunta auttaa laihtua, koska se tuottaa sekä lämmön siirto kehosta ja työstä, ja nostaa aineenvaihduntaa, vaikka olet levossa. Laihtuminen on myös apunaan melko alhainen tehokkuus kehon muuntaa sisäisen energian töihin, niin, että menetys sisäinen energia, jotka johtuvat työstä on paljon suurempi kuin tehty työ.On huomattava, kuitenkin, että elävät järjestelmät eivät ole thermalequilibrium.,

kehon antaa meille erinomainen osoitus siitä, että monet termodynaamiset prosessit ovat peruuttamattomia. Peruuttamaton prosessi voi mennä yhteen suuntaan, mutta ei päinvastoin, tietyissä olosuhteissa. Esimerkiksi, vaikka rasvaa voidaan muuntaa tehdä työtä ja tuottaa lämpöä siirtää, työtä kehon ja lämmönsiirtoa ei voida muuntaa kehon rasvaa. Muuten voisimme jättää lounaan väliin Aurinkomatkoilla tai portaita kävelemällä. Toinen esimerkki peruuttamattomasta termodynaamisesta prosessista on fotosynteesi., Tämä prosessi on yhden energiamuodon—valo—kasvien saanti ja sen muuntaminen kemialliseksi potentiaalienergiaksi. Termodynamiikan ensimmäisen lain molemmat sovellukset on kuvattu kuvassa 4. Yksi suuri etu säilymislait, kuten termodynamiikan ensimmäinen laki on, että ne kuvaavat tarkasti alku-ja loppupisteet monimutkaisia prosesseja, kuten aineenvaihduntaa ja fotosynteesi, ilman huomioon komplikaatioiden välillä. Taulukossa 1 esitetään tiivistelmä termodynamiikan ensimmäisen lain kannalta merkityksellisistä termeistä.,

Kuva 4. (a) termodynamiikan ensimmäinen laki sovellettiin aineenvaihduntaan. Kehosta (Q) siirretty lämpö ja kehon tekemä työ (W) poistavat sisäisen energian, kun taas ruoan saanti korvaa sen. (Ruoan nauttimista voidaan pitää kehon tekemänä työnä.) B) kasvit muuntavat osan auringonvalossa tapahtuvasta säteilylämmön siirrosta varastoituun kemialliseen energiaan, jota kutsutaan fotosynteesiksi.

– Osion Yhteenveto

• ensimmäinen laki termodynamiikan annetaan ΔU = Q − W, missä ΔU on muutos sisäinen energia järjestelmä, Q on net lämmönsiirto (summa kaikki lämmönsiirtoa ja ulos järjestelmästä), ja W on net työstä (summa kaikki tehty työ tai järjestelmän).
• Sekä Q ja W ovat energian kuljetuksen; vain ΔU edustaa riippumaton määrä voidaan säilyttää.,
• järjestelmän sisäinen energia U riippuu vain järjestelmän tilasta eikä siitä, miten se pääsi tähän tilaan.
• elävien organismien aineenvaihdunta ja kasvien yhteyttäminen ovat erikoistuneita lämmönsiirron, työn tekemisen ja järjestelmien sisäisen energian tyyppejä.

Sanasto

ensimmäinen laki termodynamiikan: todetaan, että sisäisen energian muutos järjestelmään on yhtä suuri kuin netto lämmön siirto järjestelmään miinus net työtä järjestelmä

sisäinen energia: summa liike-ja potentiaalienergia energiat järjestelmä on atomeja ja molekyylejä,

ihmisen aineenvaihdunta: muuntaminen ruokaa lämmönsiirto, työ, ja varastoida rasvaa,