objectifs D’apprentissage
à la fin de cette section, vous pourrez:
- définir la première loi de la thermodynamique.
- décrire comment la conservation de l’énergie est liée à la première loi de la thermodynamique.
- identifier les cas de la première loi de la thermodynamique fonctionnant dans des situations quotidiennes, y compris le métabolisme biologique.
- Calculez les changements dans l’énergie interne d’un système, après avoir pris en compte le transfert de chaleur et le travail effectué.,
la Figure 1. Cette bouilloire à thé bouillante représente l’énergie en mouvement. L’eau de la bouilloire se transforme en vapeur d’eau car la chaleur est transférée du poêle à la bouilloire. Comme l’ensemble du système devient plus chaud, le travail est fait—de l’évaporation de l’eau au sifflement de la bouilloire. (crédit: Gina Hamilton)
Si nous nous intéressons à la façon dont le transfert de chaleur est converti en travail, alors le principe de conservation de l’énergie est important., La première loi de la thermodynamique applique le principe de conservation de l’énergie aux systèmes où le transfert de chaleur et le travail sont les méthodes de transfert d’énergie dans et hors du système. La première loi de la thermodynamique stipule que le changement d’énergie interne d’un système est égal au transfert de chaleur net dans le système moins le travail net effectué par le système. Sous forme d’équation, la première loi de la thermodynamique est ΔU = Q − W.
Ici ΔU est la variation de l’énergie interne U du système., Q est la chaleur nette transférée dans le système—qui est, Q est la somme de tous les transfert de chaleur dans le système. W est sur le net travail effectué par le système—qui est, W est la somme de tous les travaux effectués sur ou par le système. Nous utilisons les conventions de signes suivantes: si Q est positif, alors il y a un transfert de chaleur net dans le système; Si W est positif, alors il y a un travail net effectué par le système. Donc, positif Q ajoute de l’énergie au système et positif W prend de l’énergie du système. Ainsi ΔU = Q-W., Notez également que si plus de transfert de chaleur dans le système se produit que le travail effectué, la différence est stockée sous forme d’énergie interne. Les moteurs thermiques en sont un bon exemple-le transfert de chaleur y a lieu afin qu’ils puissent travailler. (Voir La Figure 2.) Nous allons maintenant examiner Q, W et ΔU plus loin.
la Figure 2. La première loi de la thermodynamique est le principe de conservation de l’énergie énoncé pour un système où la chaleur et le travail sont les méthodes de transfert d’énergie pour un système en équilibre thermique., Q représente le net transfert de chaleur—c’est la somme de tous les transferts de chaleur dans le système. Q est positif pour le transfert de chaleur net dans le système. W est le travail total effectué sur et par le système. W est positif lorsque plus de travail est effectué par le système que sur celui-ci. Le changement de L’énergie interne du système, ΔU, est lié à la chaleur et au travail par la première loi de la thermodynamique, ΔU = Q − W.,
faire des connexions: loi de la thermodynamique et Loi de Conservation de l’énergie
la première loi de la thermodynamique est en fait la loi de conservation de l’énergie énoncée sous une forme très utile en thermodynamique. La première loi donne la relation entre le transfert de chaleur, le travail effectué, et la variation d’énergie interne d’un système.
la chaleur Q et le travail W
le transfert de chaleur (Q) et le travail (W) sont les deux moyens quotidiens d’amener de l’énergie dans ou de retirer de l’énergie d’un système. Les processus sont très différents., Le transfert de chaleur, un processus moins organisé, est entraîné par les différences de température. Le travail, un processus assez organisé, implique une force macroscopique exercée à travers une distance. Néanmoins, la chaleur et le travail peuvent produire des résultats identiques.Par exemple, les deux peuvent provoquer une augmentation de température. Le transfert de chaleur dans un système, comme lorsque le Soleil réchauffe l’air dans un pneu de vélo, peut augmenter sa température, et donc le travail effectué sur le système, comme lorsque le cycliste pompes à air dans le pneu. Une fois que l’augmentation de température s’est produite, il est impossible de dire si elle a été causée par un transfert de chaleur ou par un travail., Cette incertitude est un point important. Le transfert de chaleur et le travail sont tous deux de l’énergie en transit—ni l’un ni l’autre n’est stocké en tant que tel dans un système. Cependant, les deux peuvent modifier L’énergie interne U d’un système. L’énergie interne est une forme d’énergie complètement différente de la chaleur ou du travail.
l’Énergie Interne U
Nous pouvons penser à l’énergie interne d’un système à deux différentes mais cohérentes façons. Le premier est la vue atomique et moléculaire, qui examine le système à l’échelle atomique et moléculaire., L’énergie interne U d’un système est la somme des énergies cinétiques et potentielles de ses atomes et molécules. Rappelons que l’énergie cinétique et potentielle est appelée énergie mécanique. Ainsi l’énergie interne est la somme de l’énergie mécanique atomique et moléculaire. Parce qu’il est impossible de garder une trace de tous les atomes et molécules individuels, nous devons faire face à des moyennes et des distributions. Une deuxième façon de voir l’énergie interne d’un système est en termes de ses caractéristiques macroscopiques, qui sont très similaires aux valeurs moyennes atomiques et moléculaires.,
macroscopiquement, nous définissons le changement D’énergie interne ΔU comme étant celui donné par la première loi de la thermodynamique: ΔU = Q− W.
de nombreuses expériences détaillées ont vérifié que ΔU = Q − W, où ΔU est le changement d’énergie cinétique totale et potentielle de tous les atomes et molécules d’un système. Il a également été déterminé expérimentalement que l’énergie interne U d’un système dépend uniquement de l’état du système et non de la façon dont il a atteint cet état., Plus précisément, U se révèle être une fonction de quelques quantités macroscopiques (pression, volume et température, par exemple), indépendamment de l’histoire passée, par exemple s’il y a eu transfert de chaleur ou travail effectué. Cette indépendance signifie que si nous savons l’état d’un système, nous pouvons calculer l’évolution de son énergie interne U de quelques variables macroscopiques.,
faire des connexions: macroscopique et microscopique
en thermodynamique, nous utilisons souvent l’image macroscopique pour calculer le comportement d’un système, tandis que l’image atomique et moléculaire donne des explications sous-jacentes en termes de moyennes et de distributions. Nous verrons cela dans les sections ultérieures de ce chapitre. Par exemple, dans le sujet de l’entropie, les calculs seront effectués en utilisant la vue atomique et moléculaire.
pour avoir une meilleure idée de la façon de penser l’énergie interne d’un système, examinons un système allant de L’état 1 à L’état 2., Le système a l’énergie interne U1 dans L’état 1, et il a L’énergie interne U2 dans L’état 2, Peu importe comment il est arrivé à l’un ou l’autre État. Ainsi, le changement D’énergie interne ΔU = U2-U1 est indépendant de ce qui a causé le changement. En d’autres termes, ΔU est indépendant du chemin. Par chemin, nous entendons la méthode pour aller du point de départ au point d’arrivée. Pourquoi cette indépendance est-elle importante? Notez que ΔU = Q-W. Q et Wdepend du chemin, mais ΔU ne le fait pas. Cette indépendance de chemin signifie que l’énergie interne U est plus facile à considérer que le transfert de chaleur ou le travail effectué.
Exemple 1., Calcul du changement D’énergie interne: le même changement de U est produit par deux processus différents
- supposons qu’il y ait un transfert de chaleur de 40,00 J vers un système, alors que le système effectue 10,00 J de travail. Plus tard, il y a un transfert de chaleur de 25.00 J hors du système tandis que 4.00 J de travail est effectué sur le système. Quelle est la variation d’énergie interne du système?
- Quel est le changement d’énergie interne d’un système lorsqu’un total de 150,00 J de transfert de chaleur se produit hors du système et que 159,00 J de travail est effectué sur le système? (Voir La Figure 3).,
la Figure 3. Deux processus différents produisent le même changement dans un système. (a) un total de 15,00 J de transfert de chaleur se produit dans le système, tandis que le travail en retire un total de 6,00 J. Le changement d’énergie interne est ΔU=Q−W=9,00 J. (b) le transfert de chaleur supprime 150,00 J du système tandis que le travail y met 159,00 J, produisant une augmentation de 9,00 J de l’énergie interne., Si le système commence dans le même état en (a) et (b), il se retrouvera dans le même état final dans les deux cas—son état final est lié à l’énergie interne, pas à la façon dont cette énergie a été acquise.
stratégie
dans la partie 1, nous devons d’abord trouver le transfert de chaleur net et le travail net effectué à partir des informations données. Ensuite, la première loi de la thermodynamique (ΔU = Q − W) peut être utilisée pour trouver le changement d’énergie interne. Dans la partie (b), le transfert de chaleur net et le travail effectué sont donnés, de sorte que l’équation peut être utilisée directement.,
Solution pour la partie 1
le transfert de chaleur net est le transfert de chaleur dans le système moins le transfert de chaleur hors du système, ou
Q = 40.00 J − 25.00 J = 15.00 J.
de même, le travail total est le travail effectué par le système moins le id= »f851256f4d »>
W = 10.00 j − 4.00 j = 6.00 J.
ainsi, le changement d’énergie interne est donné par la première loi de la thermodynamique:
δu = q − w = 15.00 j − 6.00 j = 9.00 J.,
Nous pouvons également trouver le changement d’énergie interne pour chacune des deux étapes. Tout d’abord, considérons 40.00 J de transfert de chaleur et 10.00 J de travail, ou ΔU1 = Q1 − W1 = 40.00 J − 10.00 J = 30.00 J.
considérons maintenant 25.00 J de transfert de chaleur et 4.00 J de travail, ou
ΔU2 = Q2 − W2 = -25,00 j −(-4,00 j) = -21,00 J.
la variation totale est la somme de ces deux étapes, ou δu = Δu1 + Δu2 = 30,00 j + (-21,00 j) = 9,00 J.,
Discussion sur la partie 1
peu importe si vous regardez le processus global ou le décomposez en étapes, le changement d’énergie interne est le même.
Solution pour la partie 2
ici, le transfert de chaleur net et le travail total sont donnés directement pour être Q=-150.00 J et W=-159.00 J, de sorte que
ΔU = Q – W = -150.00 J –(-159.00 J) = 9.00 j.
Discussion sur la partie 2
un processus très différent dans la partie 2 produit le même changement d’énergie interne de 9,00-j que dans la partie 1., Notez que le changement dans le système dans les deux parties est lié à ΔU et non au Qs ou au Ws individuels impliqués. Le système se retrouve dans le même état dans les deux parties. Les parties 1 et 2 présentent deux chemins différents que le système doit suivre entre les mêmes points de départ et d’arrivée, et le changement d’énergie interne pour chacun est le même—il est indépendant du chemin.
le métabolisme humain et la première loi de la thermodynamique
le métabolisme humain est la conversion des aliments en transfert de chaleur, en travail et en graisse stockée. Le métabolisme est un exemple intéressant de la première loi de la thermodynamique en action., Nous prenons maintenant un autre regard sur ces sujets par la première loi de la thermodynamique. Considérant le corps comme le système d’intérêt, nous pouvons utiliser la première loi pour examiner le transfert de chaleur, le travail et l’énergie interne dans des activités allant du sommeil à l’exercice intensif. Quelles sont les principales caractéristiques du transfert de chaleur, du travail et de l’énergie dans le corps? D’une part, la température corporelle est normalement maintenue constante par transfert de chaleur vers l’environnement. Cela signifie que Q est négatif. Un autre fait est que le corps travaille généralement sur le monde extérieur. Cela signifie que W est positif., Dans de telles situations, alors, le corps perd de l’énergie interne, puisque ΔU = Q − W est négatif.
considérez maintenant les effets de manger. Manger augmente l’énergie interne du corps en ajoutant de l’énergie potentielle chimique (c’est une vue Non romantique d’un bon steak). Le corps métabolise tous les aliments que nous consommons. Fondamentalement, le métabolisme est un processus d’oxydation dans lequel l’énergie potentielle chimique des aliments est libérée. Cela implique que l’apport alimentaire est sous forme de travail. L’énergie alimentaire est rapportée dans une unité spéciale, connue sous le nom de Calorie., Cette énergie est mesurée en brûlant des aliments dans un calorimètre, c’est ainsi que les unités sont déterminées.
en chimie et En biochimie, une calorie (écrit avec un c minuscule) est définie comme l’énergie (ou de transfert de chaleur nécessaire pour élever la température d’un gramme d’eau pure d’un degré Celsius. Les nutritionnistes et les observateurs de poids ont tendance à utiliser la calorie alimentaire, qui est souvent appelée Calorie (orthographiée avec un C majuscule). Une Calorie alimentaire est l’énergie nécessaire pour élever la température d’un kilogramme d’eau d’un degré Celsius., Cela signifie qu’une Calorie alimentaire est égale à une kilocalorie pour le chimiste, et il faut faire attention à éviter la confusion entre les deux.
encore une fois, considérez l’énergie interne que le corps a perdue. Il y a trois endroits où cette énergie interne peut aller—au transfert de chaleur, au travail et à la graisse stockée (une infime fraction va également à la réparation et à la croissance des cellules). Le transfert de chaleur et le travail prennent l’énergie interne hors du corps, et la nourriture la remet. Si vous mangez juste la bonne quantité de nourriture, votre énergie interne moyenne reste constante., Tout ce que vous perdez à cause du transfert de chaleur et du travail est remplacé par de la nourriture, de sorte qu’à long terme, ΔU=0. Si vous mangez trop à plusieurs reprises, alors ΔU est toujours positif, et votre corps stocke cette énergie interne supplémentaire sous forme de graisse. L’inverse est vrai si vous mangez trop peu. Si ΔU est négatif pendant quelques jours, le corps métabolise sa propre graisse pour maintenir la température corporelle et faire un travail qui prend de l’énergie du corps. Ce processus est la façon dont un régime amaigrissant produit une perte de poids.
la vie n’est pas toujours aussi simple, comme tout dieter le sait., Le corps stocke la graisse ou la métabolise uniquement si l’apport énergétique change pendant plusieurs jours. Une fois que vous avez suivi un régime alimentaire important, le suivant a moins de succès car votre corps modifie la façon dont il répond à un faible apport énergétique. Votre taux métabolique de base (BMR) est la vitesse à laquelle les aliments sont convertis en transfert de chaleur et en travail effectué pendant que le corps est au repos complet. Le corps ajuste son taux métabolique basal pour compenser partiellement la suralimentation ou la sous-alimentation. Le corps diminuera le taux métabolique plutôt que d’éliminer sa propre graisse pour remplacer l’apport alimentaire perdu., Vous vous refroidirez plus facilement et vous vous sentirez moins énergique en raison du taux métabolique plus faible, et vous ne perdrez pas de poids aussi vite qu’avant. L’exercice aide à perdre du poids, car il produit à la fois un transfert de chaleur de votre corps et de votre travail, et augmente votre taux métabolique même lorsque vous êtes au repos. La perte de poids est également facilitée par l’efficacité assez faible du corps dans la conversion de l’énergie interne au travail, de sorte que la perte d’énergie interne résultant du travail est beaucoup plus grande que le travail done.It convient de noter, cependant, que les systèmes vivants ne sont pas en thermiquel’équilibre.,
le corps nous fournit une excellente indication que de nombreux processus thermodynamiques sont irréversibles. Un processus irréversible peut aller dans un sens mais pas l’inverse, dans un ensemble donné de conditions. Par exemple, bien que la graisse corporelle puisse être convertie pour effectuer un travail et produire un transfert de chaleur, le travail effectué sur le corps et le transfert de chaleur ne peuvent pas être convertis en graisse corporelle. Sinon, nous pourrions sauter le déjeuner en prenant le soleil ou en descendant les escaliers. La photosynthèse est un autre exemple de processus thermodynamique irréversible., Ce processus est la prise d’une forme d’énergie—la lumière—par les plantes et sa conversion en énergie potentielle chimique. Les deux applications de la première loi de la thermodynamique sont illustrées à la Figure 4. Un grand avantage des lois de conservation telles que la première loi de la thermodynamique est qu’elles décrivent avec précision le début et la fin de processus complexes, tels que le métabolisme et la photosynthèse, sans tenir compte des complications entre les deux. Le tableau 1 présente un résumé des termes pertinents pour la première loi de la thermodynamique.,
la Figure 4. a) la première loi de la thermodynamique appliquée au métabolisme. La chaleur transférée hors du corps (Q) et le travail effectué par le corps (W) éliminent l’énergie interne, tandis que l’apport alimentaire la remplace. (L’apport alimentaire peut être considéré comme un travail effectué sur le corps.(b) les plantes convertissent une partie du transfert de chaleur rayonnante dans la lumière du soleil en énergie chimique stockée, un processus appelé photosynthèse.
| le Tableau 1., Résumé des Termes de la Première Loi de la Thermodynamique, ΔU = Q − W | |
|---|---|
| Terme | Définition |
| U | Intérieur de l’énergie—la somme de la cinétique et les énergies potentielles d’un système d’atomes et de molécules. Peut être divisé en plusieurs sous-catégories, telles que l’énergie thermique et chimique. Dépend uniquement de l’état d’un système (comme ses P, V et T), pas de la façon dont l’énergie est entrée dans le système. Le changement d’énergie interne est indépendant du chemin., |
| Q | Chaleur—énergie transférée en raison d’une différence de température. Caractérisé par un mouvement moléculaire aléatoire. Fortement dépendante du chemin. Q entrer dans un système est positif. |
| W | Travail—énergie transférée par une force qui se déplace dans une distance. Un processus organisé et ordonné. Voie dépendante. W fait par un système (soit contre une force externe ou pour augmenter le volume du système) est positif., |
résumé de la section
- la première loi de la thermodynamique est donnée comme ΔU = Q − W, où ΔU est la variation de l’énergie interne d’un système, Q est le transfert de chaleur net (la somme de tous les transferts done (la somme de tous les travaux effectués sur ou par le système).
- Q et W sont tous deux de l’énergie en transit; seul ΔU représente une quantité indépendante capable d’être stockée.,
- L’énergie interne U d’un système ne dépend que de l’état du système, et non pas comment il a atteint cet état.
- Le métabolisme des organismes vivants et la photosynthèse des plantes sont des types spécialisés de transfert de chaleur, de travail et d’énergie interne des systèmes.
questions conceptuelles
- décrivez la photo de la bouilloire au début de cette section en termes de transfert de chaleur, de travail effectué et d’énergie interne. Comment la chaleur est transférée? Quel est le travail effectué et qu’est-ce qui le fait? Comment la bouilloire maintient-elle son énergie interne?,
- la première loi de la thermodynamique et la conservation de l’énergie, comme discuté dans la Conservation de L’énergie, sont clairement liés. En quoi diffèrent-ils dans les types d’énergie considérés?
- transfert de Chaleur Q et W sont toujours de l’énergie en transit, alors que l’énergie interne U est l’énergie stockée dans un système. Donnez un exemple de chaque type d’énergie et indiquez spécifiquement comment elle est en transit ou réside dans un système.
- En quoi le transfert de chaleur et l’énergie interne diffèrent-ils? En particulier, qui peut être stocké en tant que tel dans un système et qui ne peut pas?,
- Si vous descendez des escaliers et que vous vous arrêtez, qu’advient-il de votre énergie cinétique et de votre énergie potentielle gravitationnelle initiale?
- expliquer comment l’énergie alimentaire (calories) peut être considérée comme une énergie potentielle moléculaire (conforme à la définition atomique et moléculaire de l’énergie interne).
- Identifiez le type d’énergie transférée à votre corps dans chacune des situations suivantes: énergie interne, transfert de chaleur ou travail: (a) se prélasser au soleil; (B) manger de la nourriture; (c) monter dans un ascenseur jusqu’à un étage supérieur.,
Problèmes & Exercices
- Quelle est la variation d’énergie interne d’une voiture si vous mettez 12.0 gal de l’essence dans son réservoir? La teneur en énergie de l’essence est de 1,3 × 108 J/gal. Tous les autres facteurs, tels que la température de la voiture, sont constants.
- combien de transfert de chaleur se produit d’un système, si son énergie interne a diminué de 150 J alors qu’il faisait 30.0 J de travail?
- Un système effectue 1,80 × 108 J de travail tandis que 7,50 × 108 J de transfert de chaleur se produit dans l’environnement., Quel est le changement d’énergie interne du système en supposant qu’il n’y ait pas d’autres changements (tels que la température ou l’ajout de carburant)?
- Quel est le changement d’énergie interne d’un système qui fait 4,50 × 105 J de travail alors que 3,00 × 106 J de transfert de chaleur se produit dans le système et 8,00 × 106 J de transfert de chaleur se produit dans l’environnement?
- supposons qu’une femme effectue 500 J de travail et que 9500 J de transfert de chaleur se produise dans l’environnement au cours du processus. a) Quelle est la diminution de son énergie interne, en supposant qu’il n’y ait pas de changement de température ou de consommation de nourriture?, (Qui est, il n’existe aucun autre transfert d’énergie.) B) Quelle est son efficacité?
- (a) quelle quantité d’énergie alimentaire un homme métabolisera-t-il en faisant 35,0 kJ de travail avec une efficacité de 5,00%? b) combien de transfert de chaleur se produit dans l’environnement pour maintenir sa température constante?
- (a) Quel est le taux métabolique moyen en watts d’un homme qui métabolise 10 500 kJ d’énergie alimentaire en une journée? b) Quelle est la quantité maximale de travail en joules qu’il peut faire sans décomposer les graisses, en supposant une efficacité maximale de 20,0%? (c) comparer sa production de travail avec la production quotidienne d’un 187-W (0.,250 chevaux) moteur.
- (a) Combien de temps durera l’énergie dans une tasse de yogourt de 1470 kJ (350 kcal) chez une femme travaillant à raison de 150 W avec une efficacité de 20,0% (comme dans les escaliers tranquillement montés)? (b) le temps trouvé dans la partie (a) implique-t-il qu’il est facile de consommer plus d’énergie alimentaire que ce à quoi on peut raisonnablement s’attendre pour faire de l’exercice?
- (a) une femme escaladant le Washington Monument métabolise 6,00 × 102 kJ d’énergie alimentaire. Si son efficacité est de 18,0%, combien de transfert de chaleur se produit dans l’environnement pour maintenir sa température constante?, (b) discuter de la quantité de transfert de chaleur trouvée dans (a). Est-ce cohérent avec le fait que vous vous échauffez rapidement lors de l’exercice?
Glossaire
première loi de la thermodynamique: stipule que le changement d’énergie interne d’un système est égal au transfert de chaleur net dans le système moins le travail net effectué par le système
énergie interne: la somme des énergies cinétiques et potentielles des atomes et des molécules d’un système
métabolisme humain: conversion
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