물리학

학습 목표

이 섹션에서,당신은 당신을 할 수 있습니다:

• 첫 번째 정의 열역학 법칙.
• 에너지 보존이 열역학의 첫 번째 법칙과 어떻게 관련되어 있는지 설명하십시오.
• 생물학적 신진 대사를 포함하여 일상적인 상황에서 작동하는 열역학 제 1 법칙의 사례를 식별합니다.
• 열 전달 및 수행 작업에 대한 회계 후,시스템의 내부 에너지의 변화를 계산합니다.,

그림 1. 이 끓는 차 주전자는 움직임에 에너지를 나타냅니다. 물 물 주전자에 스토브에서 주전자에 열을 전송 되 고 있기 때문에 수증기로 돌고 있다. 전체 시스템이 뜨거워지면 물 증발에서부터 주전자의 휘파람에 이르기까지 작업이 수행됩니다. (신용:Gina Hamilton)

그림 2. 첫 번째 열역학 법칙입니다 보호의 에너지 원칙에 명시된 시스템에 대한 열고 작업하는 방법들을 통해 전송하는 에너지 시스템에 대한 열의 균형을 유지합니다., Q 는 순 열 전달을 나타냅니다-시스템 내외의 모든 열 전달의 합계입니다. Q 는 시스템으로의 순 열 전달에 긍정적입니다. W 는 시스템에서 수행 한 총 작업입니다. W 는 더 많은 작업이 그것보다 시스템에 의해 수행 될 때 긍정적입니다. 시스템의 내부 에너지 인 ΔU 의 변화는 열역학의 첫 번째 법칙 인 ΔU=Q−W 에 의해 열과 일과 관련이 있습니다.,

연결을 만들:법률의 열역학 및 에너지 보존 법칙

첫 번째 열역학 법칙을 실은 에너지 보존 법칙에 명시된 양식에서 가장 유용한 열역학. 첫 번째 법칙은 열 전달,수행 된 작업 및 시스템의 내부 에너지 변화 사이의 관계를 제공합니다.

연결하기:거시 및 미세한

열역학에서,우리가 자주 사용하는 거시적인 그림을 만들 때 계산하는 방법의 시스템 동작하는 동안,원자 및 분자의 그림은 기본 설명의 관점에서 평균 및 분포를 얻을 수 있습니다. 우리는이 장의 뒷부분에서 이것을 다시 볼 것입니다. 예를 들어,엔트로피의 주제에서 계산은 원자 및 분자보기를 사용하여 이루어질 것입니다.시스템의 내부 에너지에 대해 생각하는 방법에 대한 더 나은 아이디어를 얻으려면 상태 1 에서 상태 2 로가는 시스템을 살펴 보겠습니다., 이 시스템은 상태 1 에 내부 에너지 U1 을 가지고 있으며,상태 2 에 내부 에너지 U2 를 가지고 있습니다. 따라서 내부 에너지 ΔU=U2-U1 의 변화는 변화를 일으킨 것과 독립적입니다. 즉,ΔU 는 경로와 독립적입니다. 경로로,우리는 출발점에서 끝점까지가는 방법을 의미합니다. 이 독립성이 중요한 이유는 무엇입니까? ΔU=Q−W.Q 와 Wdepend 모두 경로에 있지만 ΔU 는 그렇지 않습니다. 이 경로 독립성은 내부 에너지 U 가 열 전달 또는 수행 된 작업보다 고려하기 쉽다는 것을 의미합니다.

실시예 1., 계산에 변화가 내부에너지:같은 변화에서 생산되는 두 개의 서로 다른 프로세스에 의해

1. 가 있다고 가정은 열전달의 40.00J 시스템,시스템 않 10.00J 의 작동합니다. 나중에 25.00j 의 열 전달이 시스템에서 4.00J 의 작업이 수행되는 동안 시스템 밖으로 나옵니다. 시스템의 내부 에너지의 순 변화는 무엇입니까?
2. 총 150.00J 의 열 전달이 시스템에서(from)발생하고 159.00J 의 작업이 시스템에서 수행 될 때 시스템의 내부 에너지의 변화는 무엇입니까? (그림 3 참조).,

그림 3. 두 개의 서로 다른 프로세스가 시스템에서 동일한 변화를 생성합니다. (a)총 15.00J 열전달의 발생합 시스템으로,동시에 작업을 밖으로 총 6.00J. 에서 변경 내부한 에너지 ΔU=Q−W=9.00J.(b)열전달을 제거 150.00J 시스템에서는 동안 작업을 둔 159.00J,그것으로 생산의 증가 9.00J 내 에너지입니다., 시스템이 시작될 경우에는 동일한 상태에서(a)및(b),그것은 결국 동일한 최종 상태에서 어느 경우—최종 상태 관련한 내부 에너지 방법이 아니라,에너지 인수되었다.

전략

1 부에서는 먼저 주어진 정보에서 수행 된 순 열 전달 및 순 작업을 찾아야합니다. 그런 다음 열역학의 첫 번째 법칙(ΔU=Q−W)을 사용하여 내부 에너지의 변화를 찾을 수 있습니다. 부분(b)에서 순 열 전달 및 수행 된 작업이 주어 지므로 방정식을 직접 사용할 수 있습니다.,

솔루션을 위한 제 1 부

net 열전달은 열전달 시스템으로 마이너스 열전달 시스템,또는

Q=40.00J−25.00J=15.00J.

마찬가지로,총 작품은 작업을 수행에 의해 시스템이 마이너스 수행하는 작업에스템 또

W=10.00J−4.00J=6.00J.

라에서 변경 내부는 에너지에 의해 주어진 첫 번째 열역학 법칙:

ΔU=Q−W=15.00J−6.00J=9.00J.,

우리는 또한 두 단계 각각에 대한 내부 에너지의 변화를 찾을 수 있습니다. 먼저,고려 40.00J 의 열전달과 10.00J 의 작업 또는 ΔU1=Q1−W1=40.00J−10.00J=30.00J.

지금 고려 25.00J 의 열 전달과 4.00J 의 작업에서,또는

ΔU2=Q2−W2=-25.00J(-4.00J) =-21.00J.

총 변화는 합의 이러한 두 가지 단계는,또는 ΔU=ΔU1+ΔU2=30.00J+(-21.00J)=9.00J.,

1 부에 대한 토론

전반적인 과정을 보든 단계로 나누든 상관없이 내부 에너지의 변화는 동일합니다.

솔루션에 대한 2 부

여기에 net 열전달 및 전체 작업은 주어진에 직접 수 Q=-150.00J W=-159.00J,그래서 그

ΔU=Q–W=-150.00J(-159.00J) =9.00J.

토론에서 2 부

매우 다른 프로세스 2 부에서 생산하는 동 9.00-J 에서 변경 내부는 에너지로서 1 부., 두 부분 모두에서 시스템의 변화는 ΔU 와 관련이 있으며 관련된 개별 Qs 또는 Ws 와 관련이 없다는 점에 유의하십시오. 시스템은 두 부분에서 동일한 상태로 끝납니다. 파트 1 과 2 존재하는 두 개의 서로 다른 경로에 대한 시스템을 따르는 사이에 같은 시작과 끝점,그리고 변경 내부한 에너지를 각각 동일한—그것은 독립적인 경로입니다.

인간의 물질 대사는 첫 번째 열역학 법칙

인간의 물질 대사를 변환하는 음식으로 열전달,작업,그리고한다. 신진 대사는 행동에서 열역학의 첫 번째 법칙의 흥미로운 예입니다., 우리는 이제 열역학의 첫 번째 법칙을 통해 이러한 주제에 대해 또 다른 모습을 보입니다. 고려하고 몸으로 시스템의 관심이,우리가 사용할 수 있는 첫 번째 법칙을 검사 열전달,작업을 하 고,내부에너지의 활동에 이르기까지 잠에서 무거운 운동이다. 열 전달,작업 및 신체의 에너지의 주요 특성 중 일부는 무엇입니까? 하나 들어,체온은 일반적으로 주변으로의 열전달에 의해 일정하게 유지됩니다. 이는 Q 가 음수임을 의미합니다. 또 다른 사실은 신체가 일반적으로 외부 세계에서 일한다는 것입니다. 이는 W 가 양수임을 의미합니다., 그런 상황에서 ΔU=Q−W 가 음수이기 때문에 신체는 내부 에너지를 잃습니다.

이제 먹는 효과를 고려하십시오. 식 증가 내의 에너지 신체를 추가하여 화학 잠재적인 에너지(이 만족의 보기에 좋은 스테이크). 몸은 우리가 섭취하는 모든 음식을 대사합니다. 기본적으로 신진 대사는 식품의 화학적 잠재 에너지가 방출되는 산화 과정입니다. 이것은 음식 입력이 일의 형태임을 의미합니다. 음식 에너지는 칼로리로 알려진 특수 단위로보고됩니다., 이 에너지는 열량계에서 음식을 태워서 측정되며,이는 단위가 결정되는 방법입니다.

에서 화학 및 생화학,하나 칼로리(철자는 소문자 c)으로 정의된 에너지(또는 열전달)데 필요한의 온도를 높이는 한 그램의 순수한 물에 의해 one degree Celsius. 영양하고 체중이 사용하는 경향이 칼로리식이 자주 이라는 칼로리(철자와 자본 C). 하나의 음식 칼로리는 1 킬로그램의 물 온도를 섭씨 1 도 올리는 데 필요한 에너지입니다., 이 의미는 하나의 식이 칼로리가 하나와 같 kilocalorie 에 대한 화학자 및 조심해야 한 혼동을 피하기 위해 두.

다시 말하지만,신체가 잃어버린 내부 에너지를 고려하십시오. 세 가지가 있는 장소의 내부에너지 갈 수 있는 열 전달하는 일,그리고 저장방(아주 작은 부분에도 세포 수리고 성장). 열 전달과 일을하는 것은 몸에서 내부 에너지를 꺼내고 음식은 그것을 다시 넣습니다. 당신이 음식의 다만 적당한 양을 먹는 경우에,당신의 평균 내부 에너지는 일정하게 남아 있습니다., 당신이 열 전달에 잃고 일을하는 것은 무엇이든간에 음식으로 대체되므로 장기적으로 ΔU=0 입니다. 반복적으로 과식하는 경우 ΔU 는 항상 긍정적이며 신체는이 여분의 내부 에너지를 지방으로 저장합니다. 너무 적게 먹으면 그 반대가 사실입니다. ΔU 가 며칠 동안 음성이면 신체는 체온을 유지하고 신체에서 에너지를 취하는 작업을하기 위해 자체 지방을 대사합니다. 이 과정은식이 요법이 체중 감량을 일으키는 방법입니다.어떤 다이어트하는 사람이 알고 있듯이 인생은 항상이 간단한 것은 아닙니다., 몸은 지방을 저장하거나 에너지 섭취량이 며칠 동안 변하는 경우에만 대사합니다. 당신은 당신이 중요한 다이어트,다음 중 하나가 더 적은 성공적인 때문에 몸을 변경하는 방법에 응답하 저렴한 에너지 입구. 귀하의 기초 대사율(BMR)은 음식이 열 전달 및 신체가 완전한 휴식 상태에있는 동안 수행되는 작업으로 변환되는 속도입니다. 신체는 기초 대사율을 조절하여 과다 섭취 또는 과소 섭취를 부분적으로 보상합니다. 몸은 잃어버린 음식 섭취를 대체하기 위해 자신의 지방을 제거하기보다는 신진 대사 속도를 감소시킬 것입니다., 당신이 진정을 더 쉽게 느끼는 더 적은 에너지의 결과로 낮은 대사율,그리고 당신은 무게를 잃지 않으로 빠르게 전하고 있습니다. 운동은 몸과 직장에서 열 전달을 모두 생산하기 때문에 체중 감량에 도움이되며 휴식 중일 때도 신진 대사 속도를 높입니다. 체중 감소입니다 또한 도움이 매우 낮은 효율성의 몸에서 변환하는 내부 작동하는 에너지 손실의 내부는 에너지는 결과에서 일보다 훨씬 더 큽니다 일을 끝내야 한다.그것은 주목해야한다,그러나 살아있는 시스템에 있지 않은 thermalequilibrium.,신체는 많은 열역학적 과정이 돌이킬 수 없다는 훌륭한 표시를 우리에게 제공합니다. 돌이킬 수없는 과정은 주어진 조건 집합에서 한 방향으로 갈 수 있지만 반대 방향으로 갈 수는 없습니다. 예를 들어,비록 신체 지방할 수 있으로 변환을 하 작업 및 생산하는 열 전달,작업에 몸과 열전달 그것으로 변환할 수 없습니다. 그렇지 않으면,우리는 스스로 햇볕을 쬐거나 계단을 걸어서 점심을 건너 뛸 수있었습니다. 돌이킬 수없는 열역학 과정의 또 다른 예는 광합성입니다., 이 과정은 식물에 의한 한 가지 형태의 에너지—빛—의 섭취와 화학 포텐셜 에너지로의 전환입니다. 열역학의 첫 번째 법칙의 두 응용 모두 그림 4 에 나와 있습니다. 의 큰 장점 중 하나는 보존 법률 등으로 첫 번째 열역학 법칙들을 설명하는 정확한 시작점과 끝점의 복잡한 프로세스 등으로 대사와 광합성과 관계없이 합니다. 표 1 은 열역학의 첫 번째 법칙과 관련된 용어의 요약을 제시합니다.,

그림 4. (a)신진 대사에 적용된 열역학의 첫 번째 법칙. 몸 밖으로 전달 된 열(Q)과 몸에 의해 수행 된 작업(W)은 음식 섭취가 그것을 대체하는 동안 내부 에너지를 제거합니다. (음식 섭취는 신체에서 수행되는 작업으로 간주 될 수 있습니다.)(b)식물은 햇빛에서 복사열 전달의 일부를 광합성이라고하는 과정 인 저장된 화학 에너지로 변환합니다.

섹션에서 요약

• 첫 번째 열역학 법칙으로 제공 ΔU=Q W,ΔU 의 변경 내의 에너지 시스템,Q net 열전달(합의 모든 열전달과 시스템), W 순 작업이 완료(합의 모든에 대해 수행된 작업 또는 시스템에 의해).
• Q 와 W 는 모두 이동 중 에너지이며 ΔU 만이 저장 될 수있는 독립적 인 양을 나타냅니다.,
• 시스템의 내부 에너지 U 는 시스템의 상태에만 의존하며 그 상태에 어떻게 도달했는지는 아닙니다.
• 살아있는 유기체의 신진 대사와 식물의 광합성은 열 전달,작업 및 시스템의 내부 에너지의 특수 유형입니다.

용어

첫 번째 열역학 법칙:상태 변경 내의 에너지 시스템과 같은 순 열전달 시스템으로 빼기물에 의해 수행 된 작업시스템

내부에너지:합계는 운동과 잠재적 에너지 시스템의 원자와 분자

인간 대사:변환의 음식으로 열전달,작업 저장방