fizika

1.ábra. Ez a forró tea vízforraló mozgásban lévő energiát jelent. A vízforralóban lévő víz víz vízgőzvé válik, mivel a tűzhelyről a vízforralóra hő kerül. Ahogy az egész rendszer melegebb lesz, a munka megtörténik—a víz elpárologtatásától a vízforraló fütyüléséig. (hitel: Gina Hamilton)

Ha érdekli, hogy a hőátadás hogyan alakul át munkává, akkor fontos az energia megőrzése elv., A termodinamika első törvénye az energiamegmaradás elvét alkalmazza azokra a rendszerekre, ahol a hőátadás és a munka az energia rendszerbe történő és onnan történő átvitelének módszereit jelenti. A termodinamika első törvénye kimondja, hogy a rendszer belső energiájának változása megegyezik a rendszerbe történő nettó hőátadással, levonva a rendszer által végzett nettó munkát. Egyenlet formájában a termodinamika első törvénye ΔU = Q-W.

itt ΔU a rendszer belső energiájának U változása., Q a rendszerbe átvitt nettó hő—azaz Q az összes hőátadás összege a rendszerbe. W a rendszer által végzett nettó munka-azaz W a rendszeren vagy a rendszeren végzett összes munka összege. A következő jelmegállapodásokat használjuk: ha Q pozitív, akkor van egy nettó hőátadás a rendszerbe; ha W pozitív, akkor a rendszer nettó munkát végez. Tehát a pozitív Q energiát ad a rendszernek, a pozitív W pedig energiát vesz a rendszerből. Így ΔU = Q-W., Vegye figyelembe azt is, hogy ha több hőátadás történik a rendszerbe, mint az elvégzett munka, akkor a különbséget belső energiaként tárolják. A hőmotorok jó példa erre—a hőátadás rájuk úgy történik, hogy munkát végezhessenek. (Lásd A 2. Ábrát.) Most tovább vizsgáljuk a Q, W és ΔU-t.

2.ábra. A termodinamika első törvénye az energiamegmaradás elve egy olyan rendszer esetében, ahol a hő és a munka a termikus egyensúlyi rendszer energiájának átvitelének módszerei., Q képviseli a nettó hőátadás-ez az összeg az összes hőátadás be-ki a rendszer. Q pozitív a rendszerbe történő nettó hőátadás szempontjából. W a rendszer által végzett teljes munka. W pozitív, ha több munkát végez a rendszer, mint rajta. A rendszer belső energiájának változása, ΔU, a hővel és a munkával függ össze a termodinamika első törvényével, ΔU = Q-W.,

Heat Q és W

Heat transfer (Q) és doing work (W) a két mindennapi eszköz arra, hogy energiát hozzunk egy rendszerbe, vagy energiát vegyünk ki egy rendszerből. A folyamatok egészen más., A hőátadást, egy kevésbé szervezett folyamatot a hőmérsékleti különbségek vezérlik. A munka, egy meglehetősen szervezett folyamat, magában foglalja a távolságon keresztül kifejtett makroszkopikus erőt. Ennek ellenére a hő és a munka azonos eredményeket hozhat.Például mindkettő hőmérséklet-emelkedést okozhat. A rendszerbe történő hőátadás, például amikor a nap felmelegíti a levegőt egy kerékpár gumiabroncsban, növelheti annak hőmérsékletét, így a rendszeren is dolgozhat, mint amikor a kerékpáros szivattyúzza a levegőt a gumiabroncsba. Miután a hőmérséklet-emelkedés megtörtént, lehetetlen megmondani, hogy a hőátadás vagy a munka okozta-e., Ez a bizonytalanság fontos pont. A hőátadás és a munka egyaránt tranzit energia—egyik sem tárolódik ilyenként egy rendszerben. Mindkettő azonban megváltoztathatja a rendszer belső u energiáját. A belső energia az energia olyan formája, amely teljesen különbözik a hőtől vagy a munkától.

belső energia U

a rendszer belső energiájára két különböző, de következetes módon gondolhatunk. Az első az atomi és molekuláris nézet, amely az atomi és molekuláris skálán vizsgálja a rendszert., Egy rendszer belső energiája az atomjai és molekulái kinetikus és potenciális energiáinak összege. Emlékezzünk vissza, hogy a kinetikus plusz potenciális energiát mechanikai energiának nevezzük. Így a belső energia az atomenergia és a molekuláris mechanikai energia összege. Mivel lehetetlen nyomon követni az egyes atomokat és molekulákat, az átlagokkal és eloszlásokkal kell foglalkoznunk. A rendszer belső energiájának megtekintésének másik módja a makroszkopikus jellemzői, amelyek nagyon hasonlítanak az atomi és molekuláris átlagértékekhez.,

makroszkopikusan meghatározzuk a ΔU belső energia változását, hogy a termodinamika első törvénye adja meg: ΔU = Q-W.

számos részletes kísérlet igazolta, hogy ΔU = Q-W, ahol ΔU a rendszer összes atomjának és molekulájának teljes kinetikus és potenciális energiájának változása. Kísérletileg azt is megállapították, hogy egy rendszer belső energiája csak a rendszer állapotától függ, nem pedig attól, hogy hogyan érte el ezt az állapotot., Pontosabban, az U néhány makroszkopikus mennyiség (például nyomás, térfogat és hőmérséklet) függvénye, amely független a múltbeli történelemtől, például attól, hogy történt-e hőátadás vagy elvégzett munka. Ez a függetlenség azt jelenti, hogy ha ismerjük a rendszer állapotát, akkor néhány makroszkopikus változóból kiszámolhatjuk az U belső energiájának változásait.,

ahhoz, hogy jobb képet kapjunk egy rendszer belső energiájáról, vizsgáljuk meg az 1.államtól a 2. államig terjedő rendszert., A rendszer belső energiája U1 az 1. államban, belső energiája U2 a 2. államban, függetlenül attól, hogy melyik állapotba került. Tehát a belső energia ΔU = U2-U1 változása független attól, hogy mi okozta a változást. Más szavakkal, a ΔU független az útvonaltól. Path alatt azt a módszert értjük, hogy a kiindulási pontról a végpontra jutunk. Miért fontos ez a függetlenség? Vegye figyelembe, hogy ΔU = Q-W. mind a Q, mind a WAZ úton függ, de a ΔU nem. Ez az út függetlenség azt jelenti, hogy a belső energia U könnyebb figyelembe venni, mint akár hőátadás vagy elvégzett munka.

1. példa., A belső energia változásának kiszámítása: ugyanazt az U változást két különböző folyamat állítja elő

1. tegyük fel, hogy 40.00 J hőátadás van egy rendszerre, míg a rendszer 10.00 J munkát végez. Később a rendszerből 25,00 J hőátadás történik, míg a rendszeren 4,00 J munka történik. Mi a rendszer belső energiájának nettó változása?
2. mi a változás egy rendszer belső energiájában, amikor a rendszerből (- ból) összesen 150,00 J hőátadás történik, a rendszeren pedig 159,00 J munka történik? (Lásd A 3. Ábrát).,

3.ábra. Két különböző folyamat ugyanazt a változást eredményezi a rendszerben. (a) összesen 15.00 J a hőátadás jelentkezik be a rendszerbe, míg a munka kerül ki, összesen 6.00 J. A változás a belső energia ΔU=Q−W=9.00 J. (b) hőátadás eltávolítja 150.00 J a rendszerből, míg a munka teszi 159.00 J be, termelő növekedés 9.00 J a belső energia., Ha a rendszer az a) és b) pontban ugyanabban az állapotban indul el, akkor mindkét esetben ugyanabba a végső állapotba kerül—végső állapota a belső energiához kapcsolódik, nem pedig az energia megszerzésének módjához.

stratégia

az 1. részben először meg kell találnunk az adott információból a nettó hőátadást és a nettó munkát. Ezután a termodinamika első törvénye (ΔU = Q − W) felhasználható a belső energia változásának megtalálására. A B) részben megadjuk a nettó hőátadást és az elvégzett munkát, így az egyenlet közvetlenül használható.,

Megoldás 1. Rész

A net hőátadás a hőátadás a rendszer mínusz a hőátadás ki a rendszer, vagy

Q = 40.00 J − 25.00 J = 15.00 J.

Hasonlóképpen, a teljes munka a munkát, amelyet a rendszer mínusz a munkát a rendszer, vagy

W = 10.00 J − 4.00 J = 6.00 J.

Így a változás a belső energia által megadott, az első főtétele:

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

a belső energia változását a két lépés mindegyikéhez megtaláljuk. Először is, úgy 40.00 J a hőátadás, 10.00 J a munka, vagy ΔU1 = Q1 − W1 = 40.00 J − 10.00 J = 30.00 J.

Most úgy vélik, 25.00 J a hőátadás ki 4.00 J a munka, vagy

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

A teljes változás az összege ezt a két lépést, vagy ΔU = ΔU1 + ΔU2 = 30.00 J + (-21.00 J) = 9.00 J.,

vita az 1. részről

nem számít, hogy megnézi-e az általános folyamatot vagy lépésekre bontja-e, a belső energia változása ugyanaz.

Megoldás 2. Rész

Itt a net hőátadás, valamint a teljes munkát kapnak közvetlenül, hogy Q=-150.00 J s W=-159.00 J, úgy, hogy

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

Vitát 2. Rész

nagyon különböző folyamat része 2 termel ugyanaz 9.00-J változás a belső energiát, mint az 1. rész., Vegye figyelembe, hogy a rendszer változása mindkét részben ΔU-hoz kapcsolódik, nem pedig az érintett egyedi Qs-hez vagy Ws-hez. A rendszer mindkét részben ugyanabban az állapotban végződik. Az 1.és 2. rész két különböző utat mutat be ahhoz, hogy a rendszer ugyanazon kiindulási és végpontok között haladjon, és a belső energia változása mindegyik esetében azonos—az útvonaltól független.

az emberi anyagcsere és a termodinamika első törvénye

az emberi anyagcsere az élelmiszer hőátadás, munka és tárolt zsírrá történő átalakítása. Az anyagcsere érdekes példa a termodinamika első törvényére., Most megnézzük ezeket a témákat a termodinamika első törvényén keresztül. Figyelembe véve a testet, mint az érdeklődés rendszerét, az első törvény segítségével megvizsgálhatjuk a hőátadást, a munkát és a belső energiát az alvástól a nehéz testmozgásig terjedő tevékenységekben. Melyek a hőátadás, a munka és az energia főbb jellemzői a szervezetben? Az egyik esetében a testhőmérsékletet általában a környezetbe történő hőátadás tartja állandónak. Ez azt jelenti, hogy a Q negatív. Egy másik tény az, hogy a test általában a külvilágon dolgozik. Ez azt jelenti, hogy a W pozitív., Ilyen helyzetekben a test elveszíti a belső energiát, mivel ΔU = Q-W negatív.

most fontolja meg az étkezés hatásait. Az étkezés növeli a test belső energiáját kémiai potenciális energia hozzáadásával (ez egy jó steak romantikus nézete). A szervezet metabolizálja az összes fogyasztott ételt. Alapvetően az anyagcsere olyan oxidációs folyamat, amelyben az élelmiszer kémiai potenciális energiája felszabadul. Ez azt jelenti, hogy az élelmiszerbevitel munka formájában történik. Az élelmiszer-energiát egy speciális egységben jelentik, amelyet kalóriának neveznek., Ezt az energiát úgy mérik, hogy az ételt kaloriméterben égetik, így határozzák meg az egységeket.

a kémiában és a biokémiában egy kalória (kisbetűs C-vel írva) az az energia (vagy hőátadás), amely egy gramm tiszta víz hőmérsékletének egy Celsius fokkal történő emeléséhez szükséges. A táplálkozási szakemberek és a súlyfigyelők általában az étrendi kalóriát használják, amelyet gyakran Kalórianak neveznek (C tőkével írva). Az egyik élelmiszer-kalória az az energia, amely egy kilogramm víz hőmérsékletének egy Celsius fokkal történő emeléséhez szükséges., Ez azt jelenti, hogy egy étkezési kalória megegyezik egy kilokalóriával a vegyész számára, és óvatosnak kell lennie, hogy elkerülje a kettő közötti zavart.

ismét vegye figyelembe azt a belső energiát, amelyet a test elveszített. Ez a belső energia három helyre mehet-a hőátadásra, a munkavégzésre és a tárolt zsírra (egy apró frakció a sejtek javítására és növekedésére is). A hőátadás és a munka belső energiát vesz ki a testből, az étel pedig visszateszi. Ha csak a megfelelő mennyiségű ételt eszel, akkor az átlagos belső energiád állandó marad., Bármit is veszít a hőátadás és a munka helyett az élelmiszer, úgy, hogy hosszú távon, ΔU = 0. Ha többször is sokat eszik, akkor a ΔU mindig pozitív, a szervezet pedig ezt az extra belső energiát zsírként tárolja. A fordított igaz, ha túl keveset eszel. Ha a ΔU néhány napig negatív, akkor a szervezet metabolizálja saját zsírját, hogy fenntartsa a testhőmérsékletet, és olyan munkát végezzen, amely energiát vesz a testből. Ez a folyamat hogyan fogyókúra termel fogyás.

Az élet nem mindig ilyen egyszerű, mint bármely dieter tudja., A szervezet csak akkor tárolja a zsírt, vagy metabolizálja azt, ha az energiabevitel több napig változik. Ha már egy nagy diéta, a következő egy kevésbé sikeres, mert a szervezet megváltoztatja, ahogy reagál az alacsony energiafelhasználás. A bazális metabolikus ráta (BMR)az az arány, amellyel az élelmiszer alakul át hőátadás és a munka, míg a test teljes nyugalomban. A szervezet beállítja a bazális anyagcsere sebességét, hogy részben kompenzálja a túlfogyasztást vagy az alultápláltságot. A szervezet csökkenti az anyagcserét, nem pedig megszünteti a saját zsírját, hogy helyettesítse az elveszett táplálékfelvételt., Lesz chill könnyebben, és úgy érzi, kevésbé energikus eredményeként az alacsonyabb anyagcsere-folyamat, és nem fog fogyni, mint korábban. A testmozgás segít a fogyásban, mert mind a testből, mind a munkából hőátadást eredményez, valamint növeli az anyagcserét, még akkor is, ha nyugalomban van. A testsúlycsökkenést a test meglehetősen alacsony hatékonysága is segíti a belső energia átalakításában, így a munka során keletkező belső energia elvesztése sokkal nagyobb, mint a munka done.It meg kell azonban jegyezni, hogy az élő rendszerek nem termálisegyensúlyt.,

a test kiváló jelzést ad arra, hogy sok termodinamikai folyamat visszafordíthatatlan. Egy visszafordíthatatlan folyamat egy irányba mehet, de nem fordítva, egy adott körülmények között. Például, bár a testzsír lehet alakítani, hogy munkát, és termelni hőátadás, végzett munka a test és a hőátadás bele nem alakítható testzsír. Ellenkező esetben kihagyhatnánk az ebédet, ha magunkat napoznánk, vagy lépcsőn sétálnánk. Egy visszafordíthatatlan termodinamikai folyamat másik példája a fotoszintézis., Ez a folyamat az energia-fény-növények egyik formájának bevitele, valamint annak kémiai potenciális energiává történő átalakítása. A termodinamika első törvényének mindkét alkalmazását a 4. ábra szemlélteti. Az olyan természetvédelmi törvények egyik nagy előnye, mint például a termodinamika első törvénye, hogy pontosan leírják a komplex folyamatok, például az anyagcsere és a fotoszintézis kezdő és végpontjait, tekintet nélkül a köztük lévő komplikációkra. Az 1. táblázat összefoglalja a termodinamika első törvényére vonatkozó kifejezéseket.,

4.ábra. a) az anyagcserére alkalmazott termodinamika első törvénye. A testből (Q) átáramló hő és a test által végzett munka (W) eltávolítja a belső energiát, míg az élelmiszerbevitel helyettesíti azt. (Az étkezés a testen végzett munkának tekinthető.) B) a növények a napsugárzó hőátadás egy részét a tárolt kémiai energiává alakítják át, amelyet fotoszintézisnek neveznek.

meghatározás

Szakasz Összefoglaló

• Az első főtétele az adott ΔU = Q − W, hol ΔU a változás a belső energia a rendszer, Q a nettó hőátadás (az összeg az összes hőátadás ki a rendszer), s W a nettó munka (az összeg az összes munkát, vagy a rendszer által).
• mind a Q, mind a W tranzit energia; csak a ΔU jelent egy független mennyiséget, amely tárolható.,
• egy rendszer belső energiája csak a rendszer állapotától függ, nem pedig attól, hogy hogyan érte el ezt az állapotot.
• az élő szervezetek anyagcseréje és a növények fotoszintézise a hőátadás, a munka és a rendszerek belső energiájának speciális típusai.

Szójegyzék

első főtétele: megállapítja, hogy a változás a belső energia a rendszer egyenlő a nettó hőátadás a rendszer mínusz a nettó munkát, amelyet a rendszer

belső energia: az összeg a kinetikus, illetve potenciális energiák a rendszer atomok illetve molekulák

az emberi anyagcsere: az átalakítás az ételt hőátadás, munka, tárolt zsír