Fysikk

Figur 1. Dette koker kaffe dusj representerer energi i bevegelse. Vannet i kjelen er å snu til vanndamp fordi varmen blir overført fra ovn til kjelen. Som hele systemet blir varmere, arbeidet som er gjort—fra fordamping av vann til fløyting av kjelen. (credit: Gina Hamilton)

Hvis vi er interessert i hvordan varmeoverføring er konvertert til å gjøre arbeidet, da bevaring av energi prinsippet er viktig., Den første lov i termodynamikken gjelder bevaring av energi prinsippet til systemer hvor varmeoverføring og gjør arbeidet er metoder for å overføre energi inn og ut av systemet. Den første lov i termodynamikken sier at endringen i indre energi i et system er lik netto varmeoverføring i systemet minus netto arbeidet gjort av systemet. I ligningen form, den første lov i termodynamikken er ΔU = Q − W.

Her ΔU er endringen i intern energi U av systemet., Q er netto varme overført til systemet—som er, Q er summen av alle varmeoverføring inn og ut av systemet. W er netto arbeidet gjort av systemet—som er, W er summen av alt arbeid som gjøres på eller av systemet. Vi bruker følgende tegn konvensjoner: hvis Q er positiv, så er det en netto varmeoverføring i systemet; hvis W er positiv, så er det netto arbeidet gjort av systemet. Så positiv Q gir energi til systemet og positive W tar energi fra systemet. Dermed ΔU = Q − W., Merk også at hvis mer varmetransport inn i systemet oppstår enn arbeid, forskjellen er lagret som indre energi. Varme motorer er et godt eksempel på dette—varmetransport inn i dem finner sted, slik at de kan utføre arbeid. (Se Figur 2).) Vi vil nå undersøke Q, W, og ΔU videre.

Figur 2. Den første lov i termodynamikken er bevaring av energi prinsippet er oppgitt for et system der varme og arbeid er metoder for å overføre energi for et system i termisk likevekt., Q representerer netto varmeoverføring—det er summen av all varme overføringer inn og ut av systemet. Q er positiv for netto varmeoverføring inn i systemet. W er den totale arbeidet som utføres på og av systemet. W er positiv når det er mer arbeid som er utført av systemet enn på det. Endringen i indre energi av systemet, ΔU, er knyttet til varme og arbeid av den første loven av termodynamikk, ΔU = Q − W.,

Varme Q og Arbeid W

til å overføre Varme (Q) og gjør arbeid (W) er de to hverdagen et middel til å bringe energi inn eller tar energien ut av et system. Prosessene er ganske forskjellige., Varmeoverføring, som er et mindre organisert prosess, er drevet av temperaturforskjeller. Arbeid, en ganske organisert prosess, innebærer en makroskopiske kraft som utøves gjennom en avstand. Likevel, varme og arbeid kan produsere identiske resultater.For eksempel, begge kan føre til en temperaturøkning. Varmetransport inn i et system, for eksempel når Solen varmer opp luften i et sykkelhjul, kan øke sin temperatur, og så kan arbeidet på systemet, for eksempel når det syklist pumper luft i dekket. Når temperaturen øker som har skjedd, det er umulig å si om det var forårsaket av varmeoverføring, eller ved å gjøre arbeidet., Denne usikkerheten er et viktig punkt. Overføre varme og arbeid er både energi i transport—verken er lagret som sådan i et system. Men begge kan endre den indre energien U av et system. Indre energi er en form for energi helt forskjellig fra enten varme eller arbeid.

Indre Energien U

Vi kan tenke på den indre energien til et system i to forskjellige, men konsistent måter. Den første er den atomære og molekylære vise, som undersøker systemet på atomær og molekylær skala., Den indre energien U av et system er summen av kinetisk og potensiell energi av atomer og molekyler. Husker at kinetisk pluss potensiell energi kalles mekanisk energi. Dermed intern energi er summen av atomic and molecular mekanisk energi. Fordi det er umulig å holde styr på alle individuelle atomer og molekyler, som vi må håndtere, gjennomsnitt og distribusjoner. En annen måte å vise den indre energien til et system er i form av sin makroskopiske kjennetegn, som er svært lik atomic and molecular gjennomsnittlige verdier.,

Macroscopically, definerer vi en endring i indre energi ΔU å være som gitt av den første loven om termodynamikk: ΔU = Q− W.

Mange detaljerte eksperimenter har bekreftet at ΔU = Q − W, der ΔU er endring i total kinetisk og potensiell energi av alle atomer og molekyler i et system. Det har også blitt bestemt eksperimentelt at den indre energien U av et system som bare avhenger av tilstanden til systemet og ikke hvor det kom fram at stat., Mer spesifikt, U er funnet å være en funksjon av noen makroskopiske mengder (trykk, volum og temperatur, for eksempel), uavhengig av tidligere historie som om det har vært å overføre varme eller arbeid. Dette uavhengighet betyr at hvis vi vite tilstanden til et system, kan vi beregne endringer i sitt indre energien U fra et par makroskopiske variabler.,

for Å få en bedre idé om hvordan å tenke på den indre energien til et system, la oss se på et system som går fra Tilstand 1 til Tilstand 2., Systemet har innebygde energi U1 i Tilstand 1, og det har indre energi U2 i Tilstand 2, uansett hvordan det kom til å enten staten. Så endringen i intern energi ΔU = U2 − U1 er uavhengig av hva som forårsaket endringen. Med andre ord, ΔU er uavhengige av banen. Ved banen, mener vi at metoden for å komme seg fra startpunktet til sluttpunktet. Hvorfor er denne uavhengigheten viktig? Vær oppmerksom på at ΔU = Q − W. Både Q og Wdepend på banen, men ΔU ikke. Denne banen uavhengighet betyr at indre energien U er lettere å vurdere enn enten å overføre varme eller arbeid.

Eksempel 1., Beregning av Endring i Indre Energi: Den Samme Endringen i U er Produsert av To Forskjellige Prosesser

1. Anta at det er varme overføring av 40.00 J til et system, mens systemet gjør 10.00 J av arbeid. Senere, det er varmeoverføring 25.00 J ut av systemet mens 4.00 J av arbeidet som er gjort på systemet. Hva er netto endring i indre energi i systemet?
2. Hva er endringen i indre energi i et system når en total av 150.00 J av varmeoverføring oppstår ut av (fra) system og 159.00 J av arbeidet som er gjort på systemet? (Se Figur 3).,

Figur 3. To ulike prosesser produsere samme endring i et system. (en) totalt 15.00 J av varme overføring skjer i systemet, mens arbeidet tar ut en sum av 6.00 J. endringen i intern energi er ΔU=Q−W=9.00 J. (b) til å overføre Varme fjerner 150.00 J fra systemet mens du arbeider setter 159.00 J inn i det, og produserer en økning av 9.00 J i indre energi., Hvis systemet starter ut i den samme tilstand som i (a) og (b), vil det ende opp i samme endelig tilstand i begge tilfeller—sin endelige tilstand er knyttet til indre energi, ikke slik at energi ble kjøpt.

Strategi

I del 1, må vi først finne den netto varmeoverføring og netto arbeidet som er gjort fra den informasjon som blir gitt. Da den første loven om termodynamikk (ΔU = Q − W) kan brukes til å finne endringen i indre energi. I del (b), netto varmeoverføring og arbeidet som er gjort er gitt, slik at ligningen kan brukes direkte.,

Løsning for Del 1

netto varmeoverføring er å overføre varme i systemet minus overføre varme ut av systemet, eller

Q = 40.00 J − 25.00 J = 15.00 J.

på samme måte, vil den totale arbeidet er arbeidet gjort av systemet minus arbeidet som er gjort på systemet, eller

W = 10.00 J − 4.00 J = 6.00 J.

Dermed endringen i intern energi er gitt ved den første loven om termodynamikk:

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

Vi kan også finne endringen i indre energi for hvert av de to trinnene. Først, bør du vurdere 40.00 J av varmeoverføring i og 10.00 J av arbeid ut, eller ΔU1 = Q1 − W1 = 40.00 J − 10.00 J = 30.00 J.

Nå vurdere 25.00 J av varmeoverføring ut og 4.00 J av arbeidet i, eller

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

Den totale endringen er summen av disse to trinnene, eller ΔU = ΔU1 + ΔU2 = 30.00 J + (-21.00 J) = 9.00 J.,

Diskusjon på Del 1

uansett om du ser på den samlede prosessen eller bryte den opp i trinnene, endringen i intern energi er den samme.

Løsning for Del 2

Her netto varmeoverføring og totalt arbeid er gitt rett til å være Q=-150.00 J og W=-159.00 J, slik at

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

Diskusjon på Del 2

En helt annen prosess i del 2 gir samme 9.00-J endringen i intern energi som i del 1., Merk at endring i systemet i begge deler er knyttet til ΔU og ikke til den enkelte Qs eller Ws involvert. Systemet ender opp i samme tilstand i begge deler. Del 1 og 2 presenterer to ulike veier for systemet å følge mellom de samme start-og sluttpunkt, og endringen i indre energi for hvert er det samme—det er uavhengig av veien.

Menneskers Stoffskifte og den Første Loven om Termodynamikk

Menneskelig stoffskifte er konvertering av mat til å overføre varme, arbeid og lagret fett. Metabolisme er et interessant eksempel på den første lov i termodynamikken i aksjon., Vi skal nå ta en titt på disse emnene via den første loven om termodynamikk. Vurderer kroppen som system er av interesse, kan vi bruke den første loven for å undersøke varmeoverføring, gjør arbeidet, og indre energi i aktiviteter, alt fra søvn til tung trening. Hva er noen av de viktigste egenskapene til å overføre varme, gjør arbeidet, og energi i kroppen? For en, kroppstemperatur er normalt holdes konstant ved å overføre varme til omgivelsene. Dette betyr at Q er negativ. Et annet faktum er at kroppen vanligvis fungerer på verden utenfor. Dette betyr at W er positive., I slike situasjoner, da, mister kroppen indre energi, siden ΔU = Q − W er negative.

Nå vurdere effektene av å spise. Å spise øker den indre energien i kroppen ved å legge til kjemisk potensiell energi (dette er et unromantic vise til en god biff). Kroppen metabolizes all maten vi spiser. I utgangspunktet, metabolisme er en oksidasjon som kjemisk potensiell energi av maten er utgitt. Dette innebærer at mat input i form av arbeid. Mat energi er rapportert i en egen enhet, kjent som Kalori., Denne energi er målt ved å brenne mat i en calorimeter, som er hvordan enhetene er bestemt.

I kjemi og biokjemi, en kalori (stavet med en liten c) er definert som energi (varme eller overføring) som kreves for å heve temperaturen av ett gram med rent vann med én grad Celsius. Ernæringseksperter og vekt overvåkere har en tendens til å bruke kosttilskudd kalori, som ofte kalles en Kalori (stavet med en kapital C). En Kalori mat er den energien som trengs for å heve temperaturen av ett gram vann med én grad Celsius., Dette betyr at et kosttilskudd Kalori er lik en kilocalorie for kjemiker, og man må være forsiktig for å unngå forvirring mellom de to.

Igjen, bør du vurdere den indre energien kroppen har tapt. Det er tre steder denne indre energi kan gå—til å overføre varme, til å gjøre arbeidet, og lagret fett (en liten del går også til celle reparasjon og vekst). Varmeoverføring og gjør arbeidet tar indre energi ut av kroppen, og maten setter den tilbake. Hvis du spiser akkurat den rette mengden av mat, så det gjennomsnittlige indre energi holdes konstant., Uansett hva du taper på å overføre varme og gjør arbeidet er erstattet av mat, slik at, i det lange løp, ΔU=0. Hvis du overeat gjentatte ganger, for så ΔU er alltid positiv, og kroppen lagrer denne ekstra intern energi som fett. Det motsatte er sant hvis du spiser for lite. Hvis ΔU er negativt for et par dager, så kroppen metabolizes sitt eget fett for å opprettholde kroppstemperaturen og gjøre arbeid som tar energi fra kroppen. Denne prosessen er hvordan slanking gir vekttap.

Livet er ikke alltid dette enkle, som alle dieter vet., Kroppen lagrer fett eller metabolizes det bare hvis energiinntaket endringer for en periode på flere dager. Når du har vært på en stor diett, den neste er mindre vellykket fordi kroppen endrer måten den reagerer på lavt energi inntak. Din basal metabolic rate (BMR) er prisen på mat som er omgjort til å overføre varme og arbeid utført mens kroppen er i hvile. Kroppen justerer sine basal metabolic rate for delvis å kompensere for over-spising eller under-spising. Kroppen vil redusere metabolsk rate snarere enn å eliminere sitt eget fett for å erstatte tapt inntak av mat., Du vil slappe mer lett og føles mindre energisk som en følge av lavere stoffskifte, og du vil ikke gå ned i vekt så fort som før. Øvelsen bidrar til å miste vekt, fordi det gir både å overføre varme fra kroppen og arbeid, og øker metabolic rate, selv når du er i ro. Vekttap er også godt hjulpet av den ganske lave effektiviteten av kroppen i konvertering av indre energi til å jobbe, slik at tap av indre energi som kommer fra å utføre arbeid som er mye større enn det arbeidet som ble gjort.Det bør imidlertid bemerkes at levende systemer er ikke i thermalequilibrium.,

kroppen gir oss en god indikasjon på at mange termodynamiske prosesser er irreversible. En irreversibel prosess kan gå i én retning, men ikke omvendt, under gitte betingelser. For eksempel, selv om kroppen fett kan konverteres til å arbeide og produsere varmeoverføring, arbeid som gjøres på kroppen og overføre varme til den ikke omdannes til kroppsfett. Ellers kunne vi hoppe lunsj av og solte oss selv, eller ved å gå ned trappen. Et annet eksempel på en irreversibel termodynamisk prosess er fotosyntesen., Denne prosessen er inntak av en form av energi—lys—av planter og konvertering til kjemisk potensiell energi. Begge programmene av den første lov i termodynamikken er illustrert i Figur 4. En stor fordel med konserveringslover for eksempel den første lov i termodynamikken er at de nøyaktig beskriver start-og sluttpunkt av komplekse prosesser, som for eksempel metabolisme og fotosyntese, uten hensyn til komplikasjoner i mellom. Tabell 1 inneholder en oppsummering av begreper som er relevante til den første loven om termodynamikk.,

Figur 4. (a) Den første loven om termodynamikk anvendt for å metabolismen. Varme overføres ut av kroppen (Q) og arbeid utført av kroppen (W) fjerne indre energi, mens inntaket av mat erstatter det. (Inntak av mat kan betraktes som arbeid gjort på kroppen.) (b) Planter konvertere en del av den strålende varmeoverføring i sollys til lagret kjemisk energi, en prosess som kalles fotosyntese.

– Delen Oppsummering

• første lov i termodynamikken er gitt som ΔU = Q − W, der ΔU er endringen i indre energi i et system, Q er netto varmeoverføring (summen av alle varmeoverføring inn og ut av systemet), og W er netto utført arbeid (summen av alt arbeid som gjøres på eller av systemet).
• Både Q og W er energi i transitt; bare ΔU representerer en uavhengig mengde i stand til å bli lagret.,
• Den indre energien U av et system som bare avhenger av tilstanden til systemet og ikke hvor det kom fram at stat.
• Metabolismen av levende organismer, og fotosyntese i planter, som er spesialiserte typer varmeoverføring, gjør arbeidet, og indre energi systemer.

Ordliste

første lov termodynamikk: sier at endringen i indre energi i et system er lik netto varmeoverføring i systemet minus netto arbeidet gjort av systemet

indre energi: summen av kinetisk og potensiell energi i et system er atomer og molekyler

menneskelige metabolisme: konvertering av mat til å overføre varme, arbeid, og lagret fett