fysica

figuur 1. Deze kokende theeketel vertegenwoordigt energie in beweging. Het water in de ketel verandert in waterdamp omdat warmte van de kachel naar de ketel wordt overgebracht. Als het hele systeem warmer wordt, wordt er gewerkt – van de verdamping van het water tot het fluiten van de ketel. (credit: Gina Hamilton)

als we geïnteresseerd zijn in hoe warmteoverdracht wordt omgezet in het doen van werk, dan is het behoud van energie Principe belangrijk., De eerste wet van de thermodynamica past het behoud van energie principe op systemen waar warmteoverdracht en het doen van werk zijn de methoden van het overbrengen van energie in en uit het systeem. De eerste wet van de thermodynamica stelt dat de verandering in interne energie van een systeem gelijk is aan de netto warmteoverdracht naar het systeem minus het netwerk dat door het systeem wordt gedaan. In vergelijking is de eerste wet van de thermodynamica ΔU = Q-W.

hier is ΔU de verandering in interne energie U van het systeem., Q is de netto warmte die in het systeem wordt overgebracht—dat wil zeggen, Q is de som van alle warmteoverdracht in en uit het systeem. W is het netwerk dat door het systeem wordt gedaan – dat wil zeggen, W is de som van al het werk dat op of door het systeem wordt gedaan. We gebruiken de volgende tekenconventies: als Q positief is, dan is er een netto warmteoverdracht naar het systeem; als W positief is, dan is er net werk gedaan door het systeem. Dus positieve Q voegt energie toe aan het systeem en positieve W neemt energie van het systeem. Dus ΔU = Q-W., Merk ook op dat als er meer warmteoverdracht in het systeem plaatsvindt dan het werk gedaan, het verschil wordt opgeslagen als interne energie. Warmtemotoren zijn een goed voorbeeld hiervan-warmteoverdracht in hen vindt plaats, zodat ze kunnen werken. (Zie Figuur 2.) We zullen nu Q, W en ΔU verder onderzoeken.

Figuur 2. De eerste wet van de thermodynamica is het behoud-van-energie principe dat wordt gesteld voor een systeem waar warmte en werk de methoden zijn voor het overbrengen van energie voor een systeem in thermisch evenwicht., Q staat voor de netto warmteoverdracht—het is de som van alle warmteoverdracht in en uit het systeem. Q is positief voor netto warmteoverdracht naar het systeem. W is het totale werk dat op en door het systeem wordt verricht. W is positief wanneer er meer werk wordt gedaan door het systeem dan op het. De verandering in de interne energie van het systeem, ΔU, is gerelateerd aan warmte en werk door de eerste wet van de thermodynamica, ΔU = Q-W.,

warmte Q en werk W

warmteoverdracht (Q) en werken (W) zijn de twee dagelijkse middelen om energie in of uit een systeem te halen. De processen zijn heel anders., Warmteoverdracht, een minder georganiseerd proces, wordt gedreven door temperatuurverschillen. Werk, een heel georganiseerd proces, omvat een macroscopische kracht uitgeoefend door een afstand. Toch kunnen warmte en werk identieke resultaten opleveren.Beide kunnen bijvoorbeeld een temperatuurstijging veroorzaken. Warmteoverdracht in een systeem, zoals wanneer de zon verwarmt de lucht in een fietsband, kan de temperatuur te verhogen, en Zo kan het werk aan het systeem, zoals wanneer de fietser pompen lucht in de band. Zodra de temperatuurstijging is opgetreden, is het onmogelijk om te zeggen of het werd veroorzaakt door warmteoverdracht of door het doen van werk., Deze onzekerheid is een belangrijk punt. Warmteoverdracht en werk zijn beide energie in doorvoer-geen van beide wordt als zodanig in een systeem opgeslagen. Beide kunnen echter de interne energie U van een systeem veranderen. Interne energie is een vorm van energie die volledig verschilt van warmte of werk.

interne energie u

We kunnen de interne energie van een systeem op twee verschillende maar consistente manieren bekijken. De eerste is de atomaire en moleculaire visie, die het systeem onderzoekt op de atomaire en moleculaire schaal., De interne energie U van een systeem is de som van de kinetische en potentiële energieën van zijn atomen en moleculen. Bedenk dat kinetische plus potentiële energie mechanische energie wordt genoemd. Interne energie is dus de som van atomaire en moleculaire mechanische energie. Omdat het onmogelijk is om alle individuele atomen en moleculen bij te houden, moeten we te maken hebben met gemiddelden en distributies. Een tweede manier om de interne energie van een systeem te bekijken is in termen van zijn macroscopische kenmerken, die zeer vergelijkbaar zijn met atomaire en moleculaire gemiddelde waarden.,

macroscopisch definiëren we de verandering in interne energie ΔU als die gegeven door de eerste wet van de thermodynamica: ΔU = Q− W.

veel gedetailleerde experimenten hebben aangetoond dat ΔU = Q − W, waarbij ΔU de verandering is in de totale kinetische en potentiële energie van alle atomen en moleculen in een systeem. Ook is experimenteel vastgesteld dat de interne energie U van een systeem alleen afhangt van de toestand van het systeem en niet hoe het die toestand bereikte., Meer in het bijzonder blijkt U een functie te zijn van een paar macroscopische grootheden (Druk, volume en temperatuur, bijvoorbeeld), onafhankelijk van het verleden, zoals of er warmteoverdracht is geweest of dat er werk is verricht. Deze onafhankelijkheid betekent dat als we de toestand van een systeem kennen, we veranderingen in de interne energie U kunnen berekenen uit een paar macroscopische variabelen.,

om een beter idee te krijgen van hoe te denken over de interne energie van een systeem, laten we een systeem onderzoeken dat van toestand 1 naar toestand 2 gaat., Het systeem heeft interne energie U1 in toestand 1, en het heeft interne energie U2 in toestand 2, Het maakt niet uit hoe het aan beide toestanden kwam. Dus de verandering in interne energie ΔU = U2-U1 is onafhankelijk van wat de verandering veroorzaakte. Met andere woorden, ΔU is onafhankelijk van pad. Met pad bedoelen we de methode om van het beginpunt naar het eindpunt te komen. Waarom is deze onafhankelijkheid belangrijk? Merk op dat ΔU = Q-W. zowel Q Als Wdepend op pad, maar ΔU niet. Deze weg onafhankelijkheid betekent dat interne energie U is gemakkelijker te overwegen dan ofwel warmteoverdracht of werk gedaan.

Voorbeeld 1., Berekening van verandering in interne energie: dezelfde verandering in U wordt geproduceerd door twee verschillende processen

1. stel dat er een warmteoverdracht is van 40,00 J naar een systeem, terwijl het systeem 10,00 J werk doet. Later is er warmteoverdracht van 25,00 J uit het systeem, terwijl 4.00 J aan het systeem wordt gedaan. Wat is de netto verandering in de interne energie van het systeem?
2. Wat is de verandering in de interne energie van een systeem wanneer in totaal 150.00 J warmteoverdracht plaatsvindt vanuit (van) het systeem en 159.00 J aan het systeem wordt gewerkt? (Zie Figuur 3).,

Figuur 3. Twee verschillende processen veroorzaken dezelfde verandering in een systeem. (A) in totaal vindt 15.00 J warmteoverdracht plaats in het systeem, terwijl het werk in totaal 6.00 J uitschakelt.de verandering in interne energie is ΔU=Q−W=9.00 J. (b) warmteoverdracht verwijdert 150.00 J uit het systeem, terwijl het werk 159.00 J in het systeem brengt, wat een toename van 9.00 J in interne energie oplevert., Als het systeem in dezelfde staat begint onder (a) en (b), zal het in beide gevallen in dezelfde eindtoestand eindigen—de eindtoestand is gerelateerd aan interne energie, niet hoe die energie werd verkregen.

strategie

in deel 1 moeten we eerst de netto warmteoverdracht en het netto werk uit de gegeven informatie vinden. Dan kan de eerste wet van de thermodynamica (ΔU = Q-W) worden gebruikt om de verandering in interne energie te vinden. In Deel (b) worden de netto warmteoverdracht en het verrichte werk gegeven, zodat de vergelijking direct kan worden gebruikt.,

Oplossing voor Deel 1

De netto warmte-overdracht is de warmte-overdracht in het systeem minus de warmte-overdracht van het systeem, of

Q = 40.00 J − 25.00 J = 15.00 J.

Ook het totale werk is het werk gedaan door het systeem minus de werkzaamheden aan het systeem, of

W = 10.00 J − 4.00 J = 6.00 J.

Dus de verandering in interne energie is gegeven door de eerste wet van de thermodynamica:

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

We kunnen ook de verandering in interne energie vinden voor elk van de twee stappen. Neem eerst 40.00 J warmteoverdracht in en 10.00 J werk uit, of ΔU1 = Q1 − W1 = 40.00 J − 10.00 J = 30.00 J.

overweeg nu 25.00 J warmteoverdracht uit en 4.00 J werk in, of

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

De totale verandering is de som van deze twee stappen, of δu = δu1 + δu2 = 30,00 J + (-21,00 J) = 9,00 J.,

discussie over Deel 1

Het maakt niet uit of je naar het totale proces kijkt of het in stappen opsplitst, de verandering in interne energie is hetzelfde.

oplossing voor Deel 2

Hier worden de netto warmteoverdracht en het totale werk direct gegeven als Q=-150.00 J en W=-159.00 J, zodat

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

discussie over Deel 2

een heel ander proces in deel 2 produceert dezelfde 9.00-J verandering in interne energie als in deel 1., Merk op dat de wijziging in het systeem in beide delen verband houdt met ΔU en niet met de betrokken individuele Qs of Ws. Het systeem eindigt in dezelfde staat in beide delen. Delen 1 en 2 presenteren twee verschillende paden voor het systeem te volgen tussen dezelfde begin—en eindpunten, en de verandering in interne energie voor elk is hetzelfde-het is onafhankelijk van het pad.

menselijk metabolisme en de eerste wet van de thermodynamica

menselijk metabolisme is de omzetting van voedsel in warmteoverdracht, werk en opgeslagen vet. Metabolisme is een interessant voorbeeld van de eerste wet van thermodynamica in actie., We bekijken deze onderwerpen nu opnieuw via de eerste wet van de thermodynamica. Gezien het lichaam als het systeem van belang, kunnen we de eerste wet gebruiken om warmteoverdracht te onderzoeken, het doen van werk, en interne energie in activiteiten variërend van slaap tot zware oefening. Wat zijn enkele van de belangrijkste kenmerken van warmteoverdracht, het doen van werk, en energie in het lichaam? Voor een, lichaamstemperatuur wordt normaal constant gehouden door warmteoverdracht naar de omgeving. Dit betekent dat Q negatief is. Een ander feit is dat het lichaam meestal werkt op de buitenwereld. Dit betekent dat W positief is., In dergelijke situaties verliest het lichaam dus interne energie, omdat ΔU = Q − W negatief is.

overweeg nu de effecten van eten. Eten verhoogt de interne energie van het lichaam door het toevoegen van chemische potentiële energie (Dit is een onromantische weergave van een goede biefstuk). Het lichaam metaboliseert al het voedsel dat we consumeren. Kortom, metabolisme is een oxidatieproces waarbij de chemische potentiële energie van voedsel wordt vrijgegeven. Dit houdt in dat de voedselinput in de vorm van werk plaatsvindt. Voedselenergie wordt gerapporteerd in een speciale eenheid, bekend als de Calorie., Deze energie wordt gemeten door het verbranden van voedsel in een calorimeter, dat is hoe de eenheden worden bepaald.

in de chemie en biochemie wordt een calorie (gespeld met een kleine letter c) gedefinieerd als de energie (of warmteoverdracht) die nodig is om de temperatuur van één gram zuiver water met één graad Celsius te verhogen. Voedingsdeskundigen en weight-watchers hebben de neiging om de voedingscalorie te gebruiken, die vaak een Calorie wordt genoemd (gespeld met een hoofdletter C). Eén voedingscalorie is de energie die nodig is om de temperatuur van één kilogram water met één graad Celsius te verhogen., Dit betekent dat een voedingscalorie gelijk is aan een kilocalorie voor de chemicus, en men moet voorzichtig zijn om verwarring tussen de twee te voorkomen.

overweeg nogmaals de interne energie die het lichaam heeft verloren. Er zijn drie plaatsen die deze interne energie kan gaan—naar warmteoverdracht, naar het doen van werk, en naar opgeslagen vet (een kleine fractie gaat ook naar cel reparatie en groei). Warmteoverdracht en werken nemen interne energie uit het lichaam, en voedsel zet het terug. Als je precies de juiste hoeveelheid voedsel eet, dan blijft je gemiddelde interne energie constant., Wat je verliest aan warmteoverdracht en werk wordt vervangen door voedsel, zodat, op de lange termijn, ΔU=0. Als je herhaaldelijk te veel eet, dan is ΔU altijd positief, en je lichaam slaat deze extra interne energie op als vet. Het omgekeerde geldt als je te weinig eet. Als ΔU negatief is voor een paar dagen, dan metaboliseert het lichaam zijn eigen vet om lichaamstemperatuur te handhaven en werk te doen dat energie uit het lichaam neemt. Dit proces is hoe een dieet produceert gewichtsverlies.

leven is niet altijd zo eenvoudig, zoals elke dieter Weet., Het lichaam slaat vet op of metaboliseert het alleen als energie-inname verandert voor een periode van enkele dagen. Als je eenmaal op een belangrijk dieet bent geweest, is de volgende minder succesvol omdat je lichaam de manier waarop het reageert op lage energie-inname verandert. Uw basale stofwisseling (BMR) is de snelheid waarmee voedsel wordt omgezet in warmteoverdracht en werk gedaan terwijl het lichaam in volledige rust is. Het lichaam past zijn basale stofwisseling aan om gedeeltelijk te compenseren voor over-eten of te weinig eten. Het lichaam zal de stofwisseling te verminderen in plaats van te elimineren zijn eigen vet om verloren voedselinname te vervangen., U zult gemakkelijker ontspannen en minder energiek voelen als gevolg van de lagere stofwisseling, en je zal niet zo snel gewicht te verliezen als voorheen. Oefening helpt om gewicht te verliezen, omdat het produceert zowel warmteoverdracht van je lichaam en werk, en verhoogt uw stofwisseling, zelfs als je in rust bent. Gewichtsverlies wordt ook geholpen door de vrij lage efficiëntie van het lichaam bij het omzetten van interne energie naar werk, zodat het verlies van interne energie als gevolg van het werk is veel groter dan het werk done.It opgemerkt moet echter worden dat levende systemen niet in thermisch evenwicht zijn.,

het lichaam geeft een uitstekende indicatie dat veel thermodynamische processen onomkeerbaar zijn. Een onomkeerbaar proces kan in één richting gaan, maar niet omgekeerd, onder bepaalde omstandigheden. Bijvoorbeeld, hoewel lichaamsvet kan worden omgezet om werk te doen en warmteoverdracht te produceren, kan het werk aan het lichaam en de warmteoverdracht in het niet worden omgezet in lichaamsvet. Anders zouden we de lunch kunnen overslaan door onszelf te zonnen of de trap af te lopen. Een ander voorbeeld van een onomkeerbaar thermodynamisch proces is fotosynthese., Dit proces is de opname van één vorm van energie—licht—door planten en de omzetting ervan in chemische potentiële energie. Beide toepassingen van de eerste wet van de thermodynamica worden geïllustreerd in Figuur 4. Een groot voordeel van conservatiewetten zoals de eerste wet van de thermodynamica is dat ze nauwkeurig de begin-en eindpunten van complexe processen beschrijven, zoals metabolisme en fotosynthese, zonder rekening te houden met de complicaties daartussen. Tabel 1 geeft een samenvatting van termen die relevant zijn voor de eerste wet van de thermodynamica.,

Figuur 4. (a) de eerste wet van de thermodynamica toegepast op het metabolisme. Warmte die uit het lichaam wordt overgebracht (Q) en werk van het lichaam (W) verwijderen interne energie, terwijl voedselinname deze vervangt. (Voedselinname kan worden beschouwd als werk aan het lichaam.(B) planten zetten een deel van de stralingswarmte-overdracht in zonlicht om in opgeslagen chemische energie, een proces dat fotosynthese wordt genoemd.

Sectieoverzicht

• De eerste wet van de thermodynamica wordt gegeven als ΔU = Q − W, waarbij ΔU de verandering in de interne energie van een systeem is, Q de netto warmteoverdracht (de som van alle warmteoverdracht in en uit het systeem), en W het verrichte netwerk (de som van alle werkzaamheden op of door het systeem).
• zowel Q Als W zijn energie in doorvoer; alleen ΔU is een onafhankelijke hoeveelheid die kan worden opgeslagen.,
• de interne energie U van een systeem hangt alleen af van de toestand van het systeem en niet hoe het die toestand heeft bereikt.
• metabolisme van levende organismen, en fotosynthese van planten, zijn gespecialiseerde soorten warmteoverdracht, het doen van werk, en interne energie van systemen.