Fizyka

Rysunek 1. Ten wrzący czajnik reprezentuje energię w ruchu. Woda w czajniku zamienia się w parę wodną, ponieważ ciepło jest przenoszone z pieca do czajnika. W miarę jak cały system staje się coraz gorętszy, wykonywana jest praca—od odparowania wody do gwizdania czajnika. (kredyt: Gina Hamilton)

Jeśli jesteśmy zainteresowani w jaki sposób wymiana ciepła jest przekształcana w pracę, to zasada zachowania energii jest ważna., Pierwsze prawo termodynamiki stosuje zasadę zachowania energii w układach, w których transfer ciepła i praca są metodami przekazywania energii do i z układu. Pierwsze prawo termodynamiki mówi, że zmiana energii wewnętrznej układu jest równa przepływowi ciepła netto do układu pomniejszonemu o pracę netto wykonaną przez układ. W postaci równań pierwsze prawo termodynamiki to ΔU = Q − W.

tutaj ΔU jest zmianą energii wewnętrznej u układu., Q jest ciepłem netto przekazywanym do układu—to znaczy Q jest sumą wszystkich ciepła przekazywanych do i z układu. W jest pracą netto wykonaną przez system—to znaczy W jest sumą całej pracy wykonanej na lub przez system. Stosujemy następujące konwencje znakowe: jeśli Q jest dodatnie, to istnieje netto transfer ciepła do układu; jeśli W jest dodatnie, to jest praca netto wykonywana przez układ. Tak więc dodatnie Q dodaje energię do układu, a dodatnie W pobiera energię z układu. Zatem ΔU = Q − W., Należy również zauważyć, że jeśli występuje więcej ciepła do systemu niż praca wykonana, różnica jest przechowywana jako energia wewnętrzna. Dobrym tego przykładem są silniki cieplne—przenikanie do nich ciepła odbywa się po to, aby mogły pracować. (Patrz Rysunek 2.) Zbadamy teraz Q, W i ΔU dalej.

Rysunek 2. Pierwszym prawem termodynamiki jest zasada zachowania energii dla układu, w którym ciepło i praca są metodami przekazywania energii dla układu w równowadze termicznej., Q oznacza netto transfer ciepła-jest sumą wszystkich transferów ciepła do i z systemu. Q jest dodatni dla wymiany ciepła netto do systemu. W to całkowita praca wykonana na i przez system. W jest dodatnia, gdy system wykonuje więcej pracy niż na nim. Zmiana energii wewnętrznej układu, ΔU, jest związana z ciepłem i pracą przez pierwsze prawo termodynamiki, ΔU = Q − W.,

ciepło Q i Praca w

przenoszenie ciepła (Q) i praca (w) są dwoma codziennymi środkami doprowadzania energii do lub pobierania energii z systemu. Procesy są zupełnie inne., Wymiana ciepła, mniej zorganizowany proces, jest napędzany przez różnice temperatur. Praca, dość zorganizowany proces, obejmuje makroskopową siłę wywieraną na odległość. Niemniej jednak, ciepło i praca mogą przynieść identyczne rezultaty.Na przykład, oba mogą powodować wzrost temperatury. Przenoszenie ciepła do systemu, na przykład gdy słońce ogrzewa powietrze w oponie rowerowej, może zwiększyć jego temperaturę, a więc może pracować w systemie, jak gdy rowerzysta pompuje powietrze do opony. Po wystąpieniu wzrostu temperatury nie można stwierdzić, czy był on spowodowany transferem ciepła,czy pracą., Ta niepewność jest ważnym punktem. Przenoszenie ciepła i praca są zarówno energią w tranzycie—żadna z nich nie jest przechowywana jako taka w systemie. Jednak oba mogą zmienić wewnętrzną energię U układu. Energia wewnętrzna jest formą energii zupełnie inną od ciepła lub pracy.

energia wewnętrzna U

możemy myśleć o energii wewnętrznej układu na dwa różne, ale spójne sposoby. Pierwszym z nich jest atomic and molecular view, który bada system w skali atomowej i molekularnej., Energia wewnętrzna U układu jest sumą energii kinetycznej i potencjalnej jego atomów i cząsteczek. Przypomnijmy, że energia kinetyczna plus potencjalna nazywana jest energią mechaniczną. Zatem energia wewnętrzna jest sumą energii atomowej i molekularnej mechanicznej. Ponieważ nie jest możliwe śledzenie wszystkich pojedynczych atomów i cząsteczek, musimy zajmować się średnimi i rozkładami. Drugim sposobem widzenia energii wewnętrznej układu jest jego makroskopowa charakterystyka, która jest bardzo podobna do wartości średnich atomowych i molekularnych.,

makroskopowo definiujemy zmianę energii wewnętrznej ΔU, która jest dana przez pierwsze prawo termodynamiki: ΔU = Q− W.

wiele szczegółowych eksperymentów potwierdziło, że ΔU = Q − W, gdzie ΔU jest zmianą całkowitej energii kinetycznej i potencjalnej wszystkich atomów i cząsteczek w układzie. Ustalono również doświadczalnie, że energia wewnętrzna U układu zależy tylko od stanu układu, a nie od tego, w jaki sposób osiągnął ten stan., Dokładniej, u znajduje się funkcja kilku makroskopowych wielkości (ciśnienie, objętość i temperatura, na przykład), niezależnie od przeszłości historii, takich jak czy doszło do wymiany ciepła lub pracy wykonanej. Ta niezależność oznacza, że jeśli znamy stan układu, możemy obliczyć zmiany jego energii wewnętrznej U na podstawie kilku zmiennych makroskopowych.,

aby lepiej zrozumieć, jak myśleć o wewnętrznej energii systemu, zbadajmy system przechodzący od stanu 1 do stanu 2., Układ ma wewnętrzną energię U1 w stanie 1, A ma wewnętrzną energię U2 w stanie 2, bez względu na to, jak dostał się do jednego ze Stanów. Zatem zmiana energii wewnętrznej ΔU = U2 − U1 jest niezależna od tego, co spowodowało zmianę. Innymi słowy, ΔU jest niezależne od ścieżki. Przez ścieżkę rozumiemy metodę przejścia z punktu początkowego do punktu końcowego. Dlaczego ta niezależność jest ważna? Należy zauważyć, że ΔU = Q-W. zarówno Q, jak i WDEPEND na ścieżce, ale ΔU nie. Ta niezależność ścieżki oznacza, że energia wewnętrzna U jest łatwiejsza do rozważenia niż wymiana ciepła lub praca wykonana.

przykład 1., Obliczanie zmiany energii wewnętrznej: ta sama zmiana w U jest wytwarzana przez dwa różne procesy

1. Załóżmy, że istnieje transfer ciepła 40,00 J do układu, podczas gdy układ wykonuje 10,00 J pracy. Później dochodzi do wymiany ciepła 25,00 J z systemu, podczas gdy 4,00 J pracy jest wykonywana na systemie. Jaka jest netto zmiana energii wewnętrznej systemu?
2. Jaka jest zmiana energii wewnętrznej układu, gdy w sumie 150,00 J wymiany ciepła następuje z (z) układu i 159,00 J pracy w układzie? (Patrz Rysunek 3).,

Rysunek 3. Dwa różne procesy powodują tę samą zmianę w systemie. (a) w sumie do układu dochodzi 15,00 J wymiany ciepła, podczas gdy praca pobiera łącznie 6,00 J. zmiana energii wewnętrznej wynosi ΔU=Q−w=9,00 J. (b) wymiana ciepła usuwa 150,00 J z układu, podczas gdy praca wprowadza do niego 159,00 J, wytwarzając wzrost energii wewnętrznej o 9,00 J., Jeśli układ zaczyna się w tym samym stanie w (a) i (b), skończy w tym samym stanie końcowym w obu przypadkach—jego stan końcowy jest związany z energią wewnętrzną, a nie z tym, jak ta energia została nabyta.

Strategia

w części 1 musimy najpierw znaleźć transfer ciepła netto i pracę netto wykonaną na podstawie podanych informacji. Wtedy można użyć pierwszego prawa termodynamiki (ΔU = Q − W), aby znaleźć zmianę energii wewnętrznej. W części (b) podano transfer ciepła netto i wykonaną pracę, więc równanie można wykorzystać bezpośrednio.,

rozwiązanie dla części 1

wymiana ciepła netto to wymiana ciepła do systemu minus wymiana ciepła z systemu, lub

Q = 40.00 J − 25.00 J = 15.00 J.

podobnie, całkowita praca to praca wykonana przez system minus praca wykonana w systemie, lub

w = 10.00 J − 4.00 J = 6.00 J.

tak więc zmiana energii wewnętrznej jest określona przez pierwsze prawo termodynamiki:

δu = Q − w = 15.00 j − 6.00 J = 9.00 J.,

możemy również znaleźć zmianę energii wewnętrznej dla każdego z dwóch kroków. Najpierw rozważ 40,00 J wymiany ciepła i 10,00 J pracy lub ΔU1 = Q1 − W1 = 40,00 J − 10,00 J = 30,00 J.

teraz rozważ 25,00 J wymiany ciepła i 4,00 J pracy lub

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

całkowita zmiana jest sumą tych dwóch kroków, lub δu = Δu1 + Δu2 = 30.00 J + (-21.00 j) = 9.00 J.,

dyskusja na temat części 1

bez względu na to, czy spojrzysz na ogólny proces, czy podzielisz go na etapy, zmiana energii wewnętrznej jest taka sama.

rozwiązanie dla części 2

tutaj wymiana ciepła netto i całkowita praca są podane bezpośrednio Q=-150.00 J i W=-159.00 J, tak że

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

dyskusja w części 2

bardzo inny proces w części 2 wytwarza taką samą zmianę 9.00-J W energii wewnętrznej, jak w części 1., Należy zauważyć, że zmiana układu w obu częściach jest związana z ΔU, a nie z poszczególnymi QS lub Ws. System kończy się w tym samym stanie w obu częściach. Części 1 i 2 przedstawiają dwie różne ścieżki, którymi układ może podążać między tymi samymi punktami początkowymi i końcowymi, a zmiana energii wewnętrznej dla każdego z nich jest taka sama—jest niezależna od ścieżki.

ludzki metabolizm i pierwsze prawo termodynamiki

ludzki metabolizm to przemiana żywności w ciepło, pracę i magazynowany tłuszcz. Metabolizm jest ciekawym przykładem pierwszego prawa termodynamiki w działaniu., Teraz ponownie przyjrzymy się tym zagadnieniom za pomocą pierwszego prawa termodynamiki. Biorąc pod uwagę ciało jako system zainteresowania, możemy użyć pierwszego prawa do zbadania wymiany ciepła, pracy i energii wewnętrznej w działaniach, od snu do ciężkich ćwiczeń. Jakie są niektóre z głównych cech wymiany ciepła, pracy i energii w organizmie? Po pierwsze, temperatura ciała jest zwykle utrzymywana na stałym poziomie przez przenoszenie ciepła do otoczenia. Oznacza to, że Q jest ujemne. Innym faktem jest to, że ciało zwykle działa na świecie zewnętrznym. Oznacza to, że W jest dodatnia., W takich sytuacjach ciało traci energię wewnętrzną, ponieważ ΔU = Q − W jest ujemne.

teraz zastanów się nad skutkami jedzenia. Jedzenie zwiększa wewnętrzną energię organizmu poprzez dodanie energii potencjału chemicznego (jest to nieromantyczny widok dobrego steka). Organizm metabolizuje całe jedzenie, które spożywamy. Zasadniczo metabolizm jest procesem utleniania, w którym uwalniana jest energia potencjału chemicznego żywności. Oznacza to, że wkład żywnościowy ma formę pracy. Energia żywności jest podawana w specjalnej jednostce, znanej jako kalorie., Energia ta jest mierzona przez spalanie żywności w kalorymetrze, czyli w jaki sposób określa się jednostki.

w chemii i biochemii jedną kalorię (pisaną małą literą c) definiuje się jako energię (lub transfer ciepła) potrzebną do podniesienia temperatury jednego grama czystej wody o jeden stopień Celsjusza. Dietetycy i obserwatorzy wagi mają tendencję do stosowania kalorii dietetycznej, która jest często nazywana kalorią (pisana przez wielką literę C). Jedna kaloria żywności to energia potrzebna do podniesienia temperatury kilograma wody o jeden stopień Celsjusza., Oznacza to, że jedna kaloria dietetyczna jest równa jednej kilokalorii dla chemika i należy uważać, aby uniknąć nieporozumień między tymi dwoma.

ponownie zastanów się nad wewnętrzną energią, którą ciało straciło. Istnieją trzy miejsca, w których ta energia wewnętrzna może iść—do wymiany ciepła, do wykonywania pracy i do magazynowanego tłuszczu (niewielka część trafia również do naprawy i wzrostu komórek). Przenoszenie ciepła i praca pobierają wewnętrzną energię z ciała, a jedzenie odkłada ją z powrotem. Jeśli jesz odpowiednią ilość jedzenia, średnia energia wewnętrzna pozostaje stała., Cokolwiek tracisz na przenoszenie ciepła i wykonywanie pracy jest zastępowane przez żywność, tak że w dłuższej perspektywie ΔU=0. Jeśli przejadasz się wielokrotnie, ΔU jest zawsze dodatnie, a twoje ciało magazynuje tę dodatkową energię wewnętrzną jako tłuszcz. Odwrotnie jest, jeśli jesz za mało. Jeśli ΔU jest ujemna przez kilka dni, organizm metabolizuje własny tłuszcz, aby utrzymać temperaturę ciała i wykonywać pracę, która pobiera energię z organizmu. Ten proces jest jak dieta produkuje odchudzanie.

życie nie zawsze jest takie proste, o czym wie każdy dietetyk., Organizm magazynuje tłuszcz lub metabolizuje go tylko wtedy, gdy spożycie energii zmienia się przez okres kilku dni. Gdy jesteś na głównej diecie, następna jest mniej skuteczna, ponieważ twoje ciało zmienia sposób, w jaki reaguje na niskie spożycie energii. Twoje podstawowe tempo metabolizmu (BMR) to tempo, w którym żywność jest przekształcana w wymianę ciepła i praca wykonywana, gdy ciało jest w całkowitym spoczynku. Organizm dostosowuje swoje podstawowe tempo przemiany materii, aby częściowo zrekompensować nadmierne lub niedożywienie. Organizm zmniejszy tempo przemiany materii, a nie wyeliminuje własny tłuszcz, aby zastąpić utracone spożycie żywności., Będziesz chłód łatwiej i czuć się mniej energiczny w wyniku niższego tempa metabolizmu, a nie schudniesz tak szybko, jak wcześniej. Ćwiczenie pomaga schudnąć, ponieważ wytwarza zarówno ciepło z organizmu, jak i pracy, i podnosi tempo przemiany materii, nawet gdy jesteś w spoczynku. Odchudzanie jest również wspomagane przez dość niską sprawność organizmu w przekształcaniu energii wewnętrznej do pracy, dzięki czemu utrata energii wewnętrznej wynikająca z wykonywania pracy jest znacznie większa niż praca done.It należy jednak zauważyć, że systemy żywe nie są w termalekwilirium.,

ciało dostarcza nam doskonałej wskazówki, że wiele procesów termodynamicznych jest nieodwracalnych. Nieodwracalny proces może iść w jednym kierunku, ale nie odwrotnie, w danym zestawie warunków. Na przykład, chociaż tkanka tłuszczowa może być przekształcona w pracę i wytwarzać transfer ciepła, praca wykonana na ciele i przenikanie ciepła do niego nie może być przekształcona w tkankę tłuszczową. W przeciwnym razie możemy pominąć lunch opalając się lub schodząc po schodach. Innym przykładem nieodwracalnego procesu termodynamicznego jest fotosynteza., Proces ten polega na pobraniu przez rośliny jednej formy energii-światła i jej przekształceniu w energię potencjału chemicznego. Oba zastosowania pierwszego prawa termodynamiki zilustrowano na rysunku 4. Wielką zaletą praw ochrony, takich jak pierwsze prawo termodynamiki, jest to, że dokładnie opisują one początek i koniec złożonych procesów, takich jak metabolizm i fotosynteza, bez względu na komplikacje pomiędzy nimi. Tabela 1 przedstawia zestawienie pojęć istotnych dla pierwszego prawa termodynamiki.,

Rysunek 4. a) pierwsze prawo termodynamiki stosowane do metabolizmu. Ciepło przenoszone z organizmu (Q) i praca wykonywana przez organizm (W) usuwają energię wewnętrzną, podczas gdy spożycie pokarmu zastępuje ją. (Spożycie pokarmu można uznać za pracę wykonaną na ciele.) (b) rośliny przekształcają część promieniowania cieplnego w świetle słonecznym na zmagazynowaną energię chemiczną, proces zwany fotosyntezą.

podsumowanie sekcji

• pierwsze prawo termodynamiki jest podane jako ΔU = Q − W, gdzie ΔU jest zmianą energii wewnętrznej układu, Q jest transferem ciepła netto (sumą wszystkich transferów ciepła do i z układu), A W jest net work done (suma wszystkich prac wykonanych na lub przez system).
• zarówno Q, jak i W są energią w tranzycie; tylko ΔU oznacza niezależną ilość, która może być przechowywana.,
• energia wewnętrzna u układu zależy tylko od stanu układu, a nie od sposobu jego osiągnięcia.
• metabolizm organizmów żywych i fotosynteza roślin to wyspecjalizowane rodzaje wymiany ciepła, pracy i energii wewnętrznej układów.

Słowniczek

pierwsze prawo termodynamiki: mówi, że zmiana energii wewnętrznej układu równa się wymianie ciepła netto do układu minus pracy netto wykonanej przez układ

energia wewnętrzna: suma energii kinetycznej i potencjalnej atomów i cząsteczek układu

metabolizm człowieka: konwersja żywności w wymianę ciepła, pracę i przechowywany tłuszcz