Fisica (Italiano)

Figura 1. Questo bollitore per il tè bollente rappresenta l’energia in movimento. L’acqua nel bollitore si sta trasformando in vapore acqueo perché il calore viene trasferito dalla stufa al bollitore. Poiché l’intero sistema diventa più caldo, il lavoro è fatto—dall’evaporazione dell’acqua al fischio del bollitore. (credit: Gina Hamilton)

Se siamo interessati a come il trasferimento di calore viene convertito in lavoro, allora il principio di conservazione dell’energia è importante., La prima legge della termodinamica applica il principio di conservazione dell’energia ai sistemi in cui il trasferimento di calore e il lavoro sono i metodi per trasferire energia dentro e fuori dal sistema. La prima legge della termodinamica afferma che il cambiamento di energia interna di un sistema è uguale al trasferimento di calore netto nel sistema meno il lavoro netto svolto dal sistema. In forma di equazione, la prima legge della termodinamica è ΔU = Q − W.

Qui ΔU è il cambiamento nell’energia interna U del sistema., Q è il calore netto trasferito nel sistema, cioè Q è la somma di tutto il trasferimento di calore dentro e fuori dal sistema. W è il lavoro netto svolto dal sistema-cioè, W è la somma di tutto il lavoro svolto su o dal sistema. Usiamo le seguenti convenzioni di segno: se Q è positivo, allora c’è un trasferimento di calore netto nel sistema; se W è positivo, allora c’è un lavoro netto fatto dal sistema. Quindi il positivo Q aggiunge energia al sistema e il positivo W prende energia dal sistema. Quindi ΔU = Q-W., Si noti inoltre che se si verifica più trasferimento di calore nel sistema rispetto al lavoro svolto, la differenza viene memorizzata come energia interna. I motori termici sono un buon esempio di questo: il trasferimento di calore in essi avviene in modo che possano funzionare. (Vedi Figura 2.) Ora esamineremo ulteriormente Q, W e ΔU.

Figura 2. La prima legge della termodinamica è il principio di conservazione dell’energia dichiarato per un sistema in cui il calore e il lavoro sono i metodi di trasferimento di energia per un sistema in equilibrio termico., Q rappresenta il trasferimento di calore netto-è la somma di tutti i trasferimenti di calore dentro e fuori il sistema. Q è positivo per il trasferimento di calore netto nel sistema. W è il lavoro totale svolto su e dal sistema. W è positivo quando più lavoro è fatto dal sistema che su di esso. Il cambiamento nell’energia interna del sistema, ΔU, è correlato al calore e al lavoro dalla prima legge della termodinamica, ΔU = Q-W.,

Calore Q e lavoro W

Il trasferimento di calore (Q) e il lavoro (W) sono i due mezzi quotidiani per portare energia in un sistema o estrarne energia. I processi sono molto diversi., Il trasferimento di calore, un processo meno organizzato, è guidato dalle differenze di temperatura. Il lavoro, un processo abbastanza organizzato, comporta una forza macroscopica esercitata a distanza. Tuttavia, calore e lavoro possono produrre risultati identici.Ad esempio, entrambi possono causare un aumento della temperatura. Il trasferimento di calore in un sistema, come quando il sole riscalda l’aria in un pneumatico di bicicletta, può aumentare la sua temperatura, e così può lavorare sul sistema, come quando il ciclista pompa aria nel pneumatico. Una volta che si è verificato l’aumento della temperatura, è impossibile dire se è stato causato dal trasferimento di calore o dal lavoro., Questa incertezza è un punto importante. Il trasferimento di calore e il lavoro sono entrambi energia in transito-nessuno dei due è immagazzinato come tale in un sistema. Tuttavia, entrambi possono cambiare l’energia interna U di un sistema. L’energia interna è una forma di energia completamente diversa dal calore o dal lavoro.

Energia interna U

Possiamo pensare all’energia interna di un sistema in due modi diversi ma coerenti. Il primo è la vista atomica e molecolare, che esamina il sistema sulla scala atomica e molecolare., L’energia interna U di un sistema è la somma delle energie cinetiche e potenziali dei suoi atomi e molecole. Ricordiamo che l’energia cinetica più potenziale è chiamata energia meccanica. Quindi l’energia interna è la somma di energia meccanica atomica e molecolare. Poiché è impossibile tenere traccia di tutti i singoli atomi e molecole, dobbiamo occuparci delle medie e delle distribuzioni. Un secondo modo per visualizzare l’energia interna di un sistema è in termini di caratteristiche macroscopiche, che sono molto simili ai valori medi atomici e molecolari.,

Macroscopicamente, definiamo il cambiamento nell’energia interna ΔU come quello dato dalla prima legge della termodinamica: ΔU = Q− W.

Molti esperimenti dettagliati hanno verificato che ΔU = Q − W, dove ΔU è il cambiamento nell’energia cinetica e potenziale totale di tutti gli atomi e molecole in un sistema. È stato anche determinato sperimentalmente che l’energia interna U di un sistema dipende solo dallo stato del sistema e non da come ha raggiunto quello stato., Più specificamente, U è risultato essere una funzione di alcune quantità macroscopiche (pressione, volume e temperatura, ad esempio), indipendentemente dalla storia passata, ad esempio se c’è stato trasferimento di calore o lavoro svolto. Questa indipendenza significa che se conosciamo lo stato di un sistema, possiamo calcolare i cambiamenti nella sua energia interna U da alcune variabili macroscopiche.,

Per avere un’idea migliore di come pensare all’energia interna di un sistema, esaminiamo un sistema che va dallo Stato 1 allo Stato 2., Il sistema ha energia interna U1 nello stato 1, e ha energia interna U2 nello stato 2, non importa come sia arrivato a uno stato. Quindi il cambiamento nell’energia interna ΔU = U2-U1 è indipendente da ciò che ha causato il cambiamento. In altre parole, ΔU è indipendente dal percorso. Per percorso, intendiamo il metodo per ottenere dal punto di partenza al punto finale. Perché questa indipendenza è importante? Si noti che ΔU = Q-W. Sia Q che Wdipende dal percorso, ma ΔU no. Questa indipendenza del percorso significa che l’energia interna U è più facile da considerare rispetto al trasferimento di calore o al lavoro svolto.

Esempio 1., Calcolo del cambiamento di energia interna: Lo stesso cambiamento di U è prodotto da due processi diversi

1. Supponiamo che ci sia un trasferimento di calore di 40,00 J a un sistema, mentre il sistema fa 10,00 J di lavoro. Più tardi, c’è il trasferimento di calore di 25.00 J dal sistema mentre 4.00 J di lavoro è fatto sul sistema. Qual è il cambiamento netto nell’energia interna del sistema?
2. Qual è il cambiamento di energia interna di un sistema quando un totale di 150.00 J di trasferimento di calore avviene da (da) il sistema e 159.00 J di lavoro è fatto sul sistema? (Vedi Figura 3).,

Figura 3. Due processi diversi producono lo stesso cambiamento in un sistema. (a) per Un totale di 15,00 J di trasferimento di calore avviene nel sistema, mentre il lavoro prende un totale di 6,00 J. La variazione di energia interna è ΔU=Q−W=9.00 J. (b) trasferimento di Calore rimuove 150.00 J dal sistema mentre si mette 159.00 J in esso, producendo un aumento di 9.00 J in energia interna., Se il sistema inizia nello stesso stato in (a) e (b), finirà nello stesso stato finale in entrambi i casi—il suo stato finale è correlato all’energia interna, non al modo in cui quell’energia è stata acquisita.

Strategia

Nella parte 1, dobbiamo prima trovare il trasferimento di calore netto e il lavoro netto svolto dalle informazioni fornite. Quindi la prima legge della termodinamica (ΔU = Q − W) può essere utilizzata per trovare il cambiamento nell’energia interna. Nella parte (b), vengono forniti il trasferimento di calore netto e il lavoro svolto, quindi l’equazione può essere utilizzata direttamente.,

Soluzione per la Parte 1

La rete di trasferimento di calore è il trasferimento di calore nel sistema senza il trasferimento di calore al di fuori del sistema, o

Q = 40.00 J − 25.00 J = 15.00 J.

allo stesso modo, il lavoro totale è il lavoro fatto dal sistema meno il lavoro fatto sul sistema, o

W = 10.00 J − 4.00 J = 6.00 J.

Quindi la variazione di energia interna è data dalla prima legge della termodinamica:

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

Possiamo anche trovare il cambiamento di energia interna per ciascuno dei due passaggi. In primo luogo, considerare 40.00 J del trasferimento di calore e di 10,00 J di lavoro, o ΔU1 = Q1 − W1 = 40.00 J − 10.00 J = 30.00 J.

Ora, considerare 25.00 J di trasferimento di calore e 4.00 J di lavoro, o

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

La variazione totale è la somma di questi due passaggi, o ΔU = ΔU1 + ΔU2 = 30.00 J + (-21.00 J) = 9.00 J.,

Discussione sulla Parte 1

Non importa se si guarda al processo complessivo o lo si suddivide in passaggi, il cambiamento di energia interna è lo stesso.

Soluzione per la Parte 2

Ecco la rete di trasferimento di calore e lavoro totale è dato direttamente da Q=-150.00 J e W=-159.00 J, in modo che

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

Discussione della Parte 2

Un processo molto diverso, parte 2, produce lo stesso 9.00-J variazione di energia interna, come in parte 1., Si noti che il cambiamento nel sistema in entrambe le parti è correlato a ΔU e non ai singoli Q o W coinvolti. Il sistema finisce nello stesso stato in entrambe le parti. Le parti 1 e 2 presentano due percorsi diversi da seguire per il sistema tra gli stessi punti di partenza e di fine, e il cambiamento di energia interna per ciascuno è lo stesso—è indipendente dal percorso.

Metabolismo umano e la prima legge della termodinamica

Il metabolismo umano è la conversione del cibo in trasferimento di calore, lavoro e grasso immagazzinato. Il metabolismo è un esempio interessante della prima legge della termodinamica in azione., Ora diamo un’altra occhiata a questi argomenti attraverso la prima legge della termodinamica. Considerando il corpo come il sistema di interesse, possiamo usare la prima legge per esaminare il trasferimento di calore, il lavoro e l’energia interna in attività che vanno dal sonno all’esercizio pesante. Quali sono alcune delle principali caratteristiche del trasferimento di calore, del lavoro e dell’energia nel corpo? Per uno, la temperatura corporea è normalmente mantenuta costante dal trasferimento di calore all’ambiente circostante. Ciò significa che Q è negativo. Un altro fatto è che il corpo di solito funziona sul mondo esterno. Ciò significa che W è positivo., In tali situazioni, quindi, il corpo perde energia interna, poiché ΔU = Q − W è negativo.

Ora considera gli effetti del mangiare. Mangiare aumenta l’energia interna del corpo aggiungendo energia potenziale chimica (questa è una visione non romantica di una buona bistecca). Il corpo metabolizza tutto il cibo che consumiamo. Fondamentalmente, il metabolismo è un processo di ossidazione in cui viene rilasciata l’energia potenziale chimica del cibo. Ciò implica che l’input alimentare è sotto forma di lavoro. L’energia alimentare è riportata in un’unità speciale, nota come Caloria., Questa energia viene misurata bruciando cibo in un calorimetro, che è il modo in cui vengono determinate le unità.

In chimica e biochimica, una caloria (scritta con una c minuscola) è definita come l’energia (o il trasferimento di calore) necessaria per aumentare la temperatura di un grammo di acqua pura di un grado Celsius. Nutrizionisti e weight-watchers tendono ad utilizzare la caloria dietetica, che viene spesso chiamata caloria (scritta con la C maiuscola). Una caloria alimentare è l’energia necessaria per aumentare la temperatura di un chilogrammo di acqua di un grado Celsius., Ciò significa che una caloria dietetica è uguale a una kilocaloria per il chimico, e bisogna stare attenti a evitare confusione tra i due.

Ancora una volta, considera l’energia interna che il corpo ha perso. Ci sono tre posti in cui questa energia interna può andare: al trasferimento di calore, al lavoro e al grasso immagazzinato (una piccola frazione va anche alla riparazione e alla crescita cellulare). Il trasferimento di calore e il lavoro prendono l’energia interna dal corpo e il cibo la rimette. Se mangi la giusta quantità di cibo, la tua energia interna media rimane costante., Tutto ciò che si perde per il trasferimento di calore e il lavoro viene sostituito dal cibo, in modo che, a lungo termine, ΔU=0. Se mangi troppo ripetutamente, allora ΔU è sempre positivo e il tuo corpo memorizza questa energia interna extra come grasso. Il contrario è vero se si mangia troppo poco. Se ΔU è negativo per alcuni giorni, il corpo metabolizza il proprio grasso per mantenere la temperatura corporea e fare un lavoro che prende energia dal corpo. Questo processo è come dieta produce perdita di peso.

La vita non è sempre così semplice, come ogni dieter sa., Il corpo immagazzina il grasso o lo metabolizza solo se l’assunzione di energia cambia per un periodo di diversi giorni. Una volta che siete stati su una dieta importante, quello successivo è meno successo perché il tuo corpo altera il modo in cui risponde a basso apporto energetico. Il tasso metabolico basale (BMR) è la velocità con cui il cibo viene convertito in trasferimento di calore e il lavoro svolto mentre il corpo è a riposo completo. Il corpo regola il suo metabolismo basale per compensare parzialmente l’eccesso di cibo o l’eccesso di cibo. Il corpo diminuirà il tasso metabolico piuttosto che eliminare il proprio grasso per sostituire l’assunzione di cibo perso., Ti rilasserai più facilmente e ti sentirai meno energico a causa del tasso metabolico più basso, e non perderai peso velocemente come prima. L’esercizio fisico aiuta a perdere peso, perché produce sia il trasferimento di calore dal corpo che il lavoro e aumenta il tasso metabolico anche quando si è a riposo. La perdita di peso è anche aiutata dall’efficienza piuttosto bassa del corpo nel convertire l’energia interna al lavoro, in modo che la perdita di energia interna derivante dal lavoro è molto maggiore del lavoro done.It va notato, tuttavia, che i sistemi viventi non sono in termoequilibrio.,

Il corpo ci fornisce un’eccellente indicazione che molti processi termodinamici sono irreversibili. Un processo irreversibile può andare in una direzione ma non il contrario, in un dato insieme di condizioni. Ad esempio, anche se il grasso corporeo può essere convertito per lavorare e produrre il trasferimento di calore, il lavoro svolto sul corpo e il trasferimento di calore in esso non possono essere convertiti in grasso corporeo. Altrimenti, potremmo saltare il pranzo prendendoci il sole o scendendo le scale. Un altro esempio di un processo termodinamico irreversibile è la fotosintesi., Questo processo è l’assunzione di una forma di energia—luce—da parte delle piante e la sua conversione in energia potenziale chimica. Entrambe le applicazioni della prima legge della termodinamica sono illustrate nella Figura 4. Un grande vantaggio delle leggi di conservazione come la prima legge della termodinamica è che descrivono accuratamente i punti di inizio e fine di processi complessi, come il metabolismo e la fotosintesi, senza riguardo alle complicazioni intermedie. La tabella 1 presenta una sintesi dei termini rilevanti per la prima legge della termodinamica.,

Figura 4. (a) La prima legge della termodinamica applicata al metabolismo. Il calore trasferito dal corpo (Q) e il lavoro svolto dal corpo (W) rimuovono l’energia interna, mentre l’assunzione di cibo lo sostituisce. (L’assunzione di cibo può essere considerata come lavoro svolto sul corpo.) (b) Le piante convertono parte del trasferimento di calore radiante alla luce solare in energia chimica immagazzinata, un processo chiamato fotosintesi.

Sezione di Riepilogo

• La prima legge della termodinamica è dato come ΔU = Q − W, dove ΔU è la variazione di energia interna di un sistema, Q è la rete di trasferimento di calore (la somma di tutti di trasferimento di calore interno e al di fuori del sistema), e W è la rete fare (la somma di tutti i lavori eseguiti o dal sistema).
• Sia Q che W sono energia in transito; solo ΔU rappresenta una quantità indipendente in grado di essere immagazzinata.,
• L’energia interna U di un sistema dipende solo dallo stato del sistema e non da come ha raggiunto quello stato.
• Il metabolismo degli organismi viventi e la fotosintesi delle piante sono tipi specializzati di trasferimento di calore, lavoro e energia interna dei sistemi.

Glossario

prima legge della termodinamica: afferma che la variazione di energia interna di un sistema è uguale al netto del trasferimento di calore nel sistema senza il net lavoro fatto dal sistema

interno dell’energia: la somma delle energie cinetica e potenziale di un sistema di atomi e molecole

metabolismo umano: la conversione del cibo in trasferimento di calore, di lavoro, di e il grasso immagazzinato