fizica

obiective de învățare

până la sfârșitul acestei secțiuni, veți putea:

• definiți prima lege a termodinamicii.
• descrie modul în care conservarea energiei se referă la prima lege a termodinamicii.
• identificați instanțele primei legi a termodinamicii care lucrează în situații de zi cu zi, inclusiv metabolismul biologic.
• calculați modificările energiei interne a unui sistem, după contabilizarea transferului de căldură și a lucrărilor efectuate.,

Figura 1. Acest fierbător de ceai fierbinte reprezintă energia în mișcare. Apa din fierbător se transformă în vapori de apă, deoarece căldura este transferată de la aragaz la fierbător. Pe măsură ce întregul sistem devine mai fierbinte, se lucrează—de la evaporarea apei până la fluierul fierbătorului. dacă suntem interesați de modul în care transferul de căldură este transformat în muncă, atunci principiul conservării energiei este important., Prima lege a termodinamicii aplică principiul conservării energiei sistemelor în care transferul de căldură și munca sunt metodele de transfer de energie în și din sistem. Prima lege a termodinamicii afirmă că schimbarea energiei interne a unui sistem este egală cu transferul net de căldură în sistem minus munca netă efectuată de sistem. În forma ecuației, prima lege a termodinamicii este ΔU = Q-W.

aici ΔU este schimbarea energiei interne U a sistemului., Q este căldura netă transferată în sistem—adică Q este suma tuturor transferurilor de căldură în și din sistem. W este munca netă efectuată de sistem—adică W este suma tuturor lucrărilor efectuate pe sau de sistem. Folosim următoarele convenții de semn: dacă Q este pozitiv, atunci există un transfer net de căldură în sistem; dacă W este pozitiv, atunci există o muncă netă efectuată de sistem. Deci Q pozitiv adaugă energie sistemului și W pozitiv ia energie din sistem. Astfel ΔU = Q-W., Rețineți, de asemenea, că, dacă se produce mai mult transfer de căldură în sistem decât munca efectuată, diferența este stocată ca energie internă. Motoarele termice sunt un bun exemplu în acest sens-transferul de căldură în ele are loc astfel încât să poată lucra. (A Se Vedea Figura 2.) Vom examina acum Q, W și ΔU în continuare.

Figura 2. Prima lege a termodinamicii este principiul conservării energiei declarat pentru un sistem în care căldura și munca sunt metodele de transfer de energie pentru un sistem în echilibru termic., Q reprezintă transferul net de căldură—este suma tuturor transferurilor de căldură în și din sistem. Q este pozitiv pentru transferul net de căldură în sistem. W este munca totală efectuată pe și de către sistem. W este pozitiv atunci când sistemul face mai multă muncă decât pe el. Modificarea energiei interne a sistemului, ΔU, este legată de căldură și de lucru de prima lege a termodinamicii, ΔU = Q − W.,

căldura Q și munca W

transferul de căldură (Q) și munca (W) sunt cele două mijloace zilnice de a aduce energie în sau de a lua energie dintr-un sistem. Procesele sunt destul de diferite., Transferul de căldură, un proces mai puțin organizat, este condus de diferențele de temperatură. Munca, un proces destul de organizat, implică o forță macroscopică exercitată la distanță. Cu toate acestea, căldura și munca pot produce rezultate identice.De exemplu, ambele pot provoca o creștere a temperaturii. Transferul de căldură într-un sistem, cum ar fi atunci când soarele încălzește aerul într-o anvelopă pentru biciclete, îi poate crește temperatura și astfel poate lucra la sistem, ca atunci când biciclistul pompează aerul în anvelopă. Odată ce creșterea temperaturii a avut loc, este imposibil să se spună dacă a fost cauzată de transferul de căldură sau de munca., Această incertitudine este un punct important. Transferul de căldură și munca sunt ambele energie în tranzit—niciuna nu este stocată ca atare într-un sistem. Cu toate acestea, ambele pot schimba energia internă U a unui sistem. Energia internă este o formă de energie complet diferită de căldură sau de muncă.

energie internă U

ne putem gândi la energia internă a unui sistem în două moduri diferite, dar consecvente. Primul este viziunea atomică și moleculară, care examinează sistemul pe scara atomică și moleculară., Energia internă U a unui sistem este suma energiilor cinetice și potențiale ale atomilor și moleculelor sale. Reamintim că energia potențială cinetică plus se numește energie mecanică. Astfel, energia internă este suma energiei mecanice Atomice și moleculare. Deoarece este imposibil să urmăriți toți atomii și moleculele individuale, trebuie să ne ocupăm de medii și distribuții. Un al doilea mod de a vedea energia internă a unui sistem este în ceea ce privește caracteristicile sale macroscopice, care sunt foarte asemănătoare cu valorile medii Atomice și moleculare.,

Macroscopic, vom defini schimbarea energiei interne ΔU să fie aceea dată de prima lege a termodinamicii: ΔU = Q− W.

Multe experimente detaliate au verificat că ΔU = Q − W, unde ΔU este schimbarea în total energie cinetică și potențială a tuturor atomilor și moleculelor într-un sistem. De asemenea, s-a stabilit experimental că energia internă U a unui sistem depinde doar de starea sistemului și nu de modul în care a ajuns la acea stare., Mai precis, U se dovedește a fi o funcție de câteva cantități macroscopice (presiune, volum și temperatură, de exemplu), independent de istoria trecută, cum ar fi dacă a existat transfer de căldură sau de lucru făcut. Această independență înseamnă că, dacă cunoaștem starea unui sistem, putem calcula modificările energiei sale interne U din câteva variabile macroscopice.,în termodinamică, folosim adesea imaginea macroscopică atunci când facem calcule despre cum se comportă un sistem, în timp ce imaginea atomică și moleculară oferă explicații subiacente în ceea ce privește mediile și distribuțiile. Vom vedea acest lucru din nou în secțiunile ulterioare ale acestui capitol. De exemplu, în subiectul entropiei, calculele vor fi făcute folosind vizualizarea atomică și moleculară.pentru a obține o idee mai bună despre cum să ne gândim la energia internă a unui sistem, să examinăm un sistem care merge de la starea 1 la starea 2., Sistemul are energie internă U1 în starea 1, și are energie internă U2 în starea 2, indiferent cum a ajuns la oricare dintre stări. Deci, schimbarea energiei interne ΔU = U2-U1 este independentă de ceea ce a cauzat schimbarea. Cu alte cuvinte, ΔU este independent de cale. Prin cale, înțelegem metoda de a ajunge de la punctul de plecare până la punctul final. De ce este importantă această independență? Rețineți că ΔU = Q − W. Ambele Q și Wdepend pe cale, dar ΔU nu. Această independență cale înseamnă că energia internă U este mai ușor să ia în considerare decât fie transferul de căldură sau de lucru făcut.

exemplu 1., Calcularea modificării energiei interne: aceeași modificare În U este produsă de două procese diferite

1. Să presupunem că există transfer de căldură de 40,00 J într-un sistem, în timp ce sistemul face 10,00 J de lucru. Mai târziu, există transfer de căldură de 25.00 J din sistem, în timp ce 4.00 J de lucru se face pe sistem. Care este schimbarea netă a energiei interne a sistemului?
2. care este schimbarea energiei interne a unui sistem atunci când un total de 150.00 J de transfer de căldură are loc din (din) sistem și 159.00 J de lucru se face pe sistem? (A Se Vedea Figura 3).,

Figura 3. Două procese diferite produc aceeași schimbare într-un sistem. (a) Un total de 15.00 J de transfer de căldură are loc în sistem, în timp ce lucrarea are un total de 6.00 J. modificarea energiei interne este ΔU=Q−W=9.00 J. (b) de transfer de Căldură elimină 150.00 J din sistem în timp ce pune 159.00 J în ea, producând o creștere de 9.00 J în energie internă., Dacă sistemul începe în aceeași stare la literele (a) și (b), acesta va ajunge în aceeași stare finală în ambele cazuri—starea sa finală este legată de energia internă, nu de modul în care a fost dobândită acea energie.

strategie

în partea 1, trebuie să găsim mai întâi transferul net de căldură și munca netă efectuată din informațiile date. Apoi, prima lege a termodinamicii (ΔU = Q − W) poate fi utilizată pentru a găsi schimbarea energiei interne. În partea (b), transferul de căldură net și munca efectuată sunt date, astfel încât ecuația poate fi utilizată direct.,

Soluție pentru Partea 1

net de transfer de căldură este transferul de căldură în sistem minus de transfer de căldură din sistem, sau

Q = 40.00 J − 25.00 J = 15.00 J.

în mod Similar, volumul de muncă este activitatea desfășurată de către sistemul de minus activitatea desfășurată pe sistem, sau

W = 10.00 J − 4.00 J = 6.00 J.

Astfel, modificarea energiei interne este dat de prima lege a termodinamicii:

ΔU = Q − W = 15.00 J − 6.00 J = 9.00 J.,de asemenea, putem găsi schimbarea energiei interne pentru fiecare dintre cei doi pași. În primul rând, ia în considerare 40.00 J de transfer de căldură și 10.00 J de muncă, sau ΔU1 = Q1 − W1 = 40.00 J − 10.00 J = 30.00 J.

Acum ia în considerare 25.00 J de transfer de căldură și 4.00 J de muncă, sau

ΔU2 = T2 − W2 = -25.00 J −(-4.00 J) = -21.00 J.

schimbare totală este suma dintre acești doi pași, sau ΔU = ΔU1 + ΔU2 = 30.00 J + (-21.00 J) = 9.00 J.,

discuție pe partea 1

indiferent dacă vă uitați la procesul general sau îl împărțiți în pași, schimbarea energiei interne este aceeași.

Soluție pentru Partea a 2-a

Aici net de transfer de căldură și lucrul mecanic total sunt date direct de a fi Q=-150.00 J și W=-159.00 J, astfel încât

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

Discuții privind Partea 2

Un proces diferit în partea a 2-a produce același 9.00-J schimbare în energia internă ca și în partea 1., Rețineți că modificarea sistemului în ambele părți este legată de ΔU și nu de QS sau Ws individuale implicate. Sistemul se termină în aceeași stare în ambele părți. Părțile 1 și 2 prezintă două căi diferite pentru ca sistemul să urmeze între aceleași puncte de pornire și sfârșit, iar schimbarea energiei interne pentru fiecare este aceeași—este independentă de cale.

metabolismul uman și prima lege a termodinamicii

metabolismul uman este transformarea alimentelor în transfer de căldură, muncă și grăsime stocată. Metabolismul este un exemplu interesant al primei legi a termodinamicii în acțiune., Acum aruncăm o privire la aceste subiecte prin prima lege a termodinamicii. Considerând corpul ca fiind sistemul de interes, putem folosi prima lege pentru a examina transferul de căldură, munca și energia internă în activități care variază de la somn la exerciții fizice grele. Care sunt unele dintre caracteristicile majore ale transferului de căldură, ale muncii și ale energiei în organism? Pentru unul, temperatura corpului este în mod normal menținută constantă prin transferul de căldură în împrejurimi. Aceasta înseamnă că Q este negativ. Un alt fapt este că organismul lucrează de obicei în lumea exterioară. Aceasta înseamnă că W este pozitiv., În astfel de situații, atunci corpul pierde energie internă, deoarece ΔU = Q − W este negativ.acum, ia în considerare efectele consumului. Mâncarea mărește energia internă a corpului prin adăugarea de energie potențială chimică (aceasta este o vedere neromantică a unei fripturi bune). Organismul metabolizează toate alimentele pe care le consumăm. Practic, metabolismul este un proces de oxidare în care se eliberează energia potențială chimică a alimentelor. Aceasta implică faptul că aportul alimentar este sub formă de muncă. Energia alimentară este raportată într-o unitate specială, cunoscută sub numele de calorii., Această energie este măsurată prin arderea alimentelor într-un calorimetru, care este modul în care sunt determinate unitățile.în chimie și biochimie, o calorie (scrisă cu litere mici c) este definită ca energia (sau transferul de căldură) necesară pentru a ridica temperatura unui gram de apă pură cu un grad Celsius. Nutriționiștii și observatorii de greutate tind să utilizeze calorii dietetice, care este frecvent numită Calorie (scrisă cu un capital C). O Calorie alimentară este energia necesară pentru a ridica temperatura unui kilogram de apă cu un grad Celsius., Aceasta înseamnă că o Calorie dietetică este egală cu o kilocalorie pentru chimist și trebuie să fii atent pentru a evita confuzia dintre cele două.din nou, ia în considerare energia internă pe care corpul a pierdut-o. Există trei locuri în care această energie internă poate merge—la transferul de căldură, la muncă și la grăsimea stocată (o fracțiune minusculă merge și la repararea și creșterea celulelor). Transferul de căldură și munca iau energia internă din corp, iar mâncarea o pune înapoi. Dacă mâncați doar cantitatea potrivită de alimente, atunci energia internă medie rămâne constantă., Orice ai pierde la transferul de căldură și de a face munca este înlocuit cu alimente, astfel încât, pe termen lung, ΔU=0. Dacă mâncați în mod repetat, atunci ΔU este întotdeauna pozitiv, iar corpul dvs. stochează această energie internă suplimentară sub formă de grăsime. Reversul este adevărat dacă mănânci prea puțin. Dacă ΔU este negativ pentru câteva zile, atunci organismul își metabolizează propria grăsime pentru a menține temperatura corpului și a face o muncă care ia energie din organism. Acest proces este modul în care dieta produce pierderea în greutate.viața nu este întotdeauna atât de simplă, așa cum știe orice dieter., Organismul stochează grăsimea sau o metabolizează numai dacă aportul de energie se schimbă pentru o perioadă de câteva zile. Odată ce ați urmat o dietă majoră, următoarea este mai puțin reușită, deoarece corpul dumneavoastră modifică modul în care răspunde la aportul redus de energie. Rata metabolică bazală (BMR) este rata la care alimentele sunt transformate în transfer de căldură și se lucrează în timp ce corpul se află în repaus complet. Organismul își ajustează rata metabolică bazală pentru a compensa parțial consumul excesiv sau sub-consumul. Organismul va scădea rata metabolică, mai degrabă decât să elimine propria grăsime pentru a înlocui aportul alimentar pierdut., Vă va răcori mai ușor și se simt mai puțin energic, ca urmare a ratei metabolice mai mici, și nu va pierde in greutate la fel de repede ca înainte. Exercitarea ajută la scăderea în greutate, deoarece produce atât transfer de căldură din corp, cât și din muncă și crește rata metabolică chiar și atunci când vă aflați în repaus. Pierderea in greutate este, de asemenea, ajutat de destul de eficiența scăzută a organismului în transformarea internă a energiei la locul de muncă, astfel încât pierderea de energie internă care rezultă de la a face locul de muncă este mult mai mare decât activitatea desfășurată.Ar trebui remarcat, totuși, că sistemele vii nu sunt în thermalequilibrium.,corpul ne oferă un indiciu excelent că multe procese termodinamice sunt ireversibile. Un proces ireversibil poate merge într-o direcție, dar nu invers, într-un anumit set de condiții. De exemplu, deși grăsimea corporală poate fi transformată pentru a lucra și a produce transfer de căldură, munca depusă pe corp și transferul de căldură în acesta nu pot fi transformate în grăsime corporală. În caz contrar, am putea sări peste masa de prânz de soare noi înșine sau de mers pe jos pe scări. Un alt exemplu de proces termodinamic ireversibil este fotosinteza., Acest proces este aportul unei forme de energie—lumină—de către plante și conversia acesteia în energie potențială chimică. Ambele aplicații ale primei legi a termodinamicii sunt ilustrate în Figura 4. Un mare avantaj al legilor de conservare, cum ar fi prima lege a termodinamicii, este că acestea descriu cu exactitate punctele de început și sfârșit ale proceselor complexe, cum ar fi metabolismul și fotosinteza, fără a ține cont de complicațiile dintre ele. Tabelul 1 prezintă un rezumat al termenilor relevanți pentru prima lege a termodinamicii.,

Figura 4. (a) Prima Lege a termodinamicii aplicată metabolismului. Căldura transferată din corp (Q) și munca efectuată de corp (W) elimină energia internă, în timp ce aportul alimentar îl înlocuiește. (Aportul alimentar poate fi considerat ca o lucrare făcută pe corp.) (b) plantele transformă o parte din transferul de căldură radiant în lumina soarelui în energie chimică stocată, proces numit fotosinteză.

Secțiunea Rezumat

• prima lege a termodinamicii este dat ca ΔU = Q − W, unde ΔU este variația energiei interne a unui sistem, Q este net de transfer de căldură (suma tuturor transferul de căldură în interiorul și în afara sistemului), și W este net activitatea desfășurată (suma de toate lucrările efectuate pe sau de sistem).
• atât Q cât și W sunt energie în tranzit; numai ΔU reprezintă o cantitate independentă capabilă să fie stocată.,
• energia internă U a unui sistem depinde numai de starea sistemului și nu de modul în care a ajuns la acea stare.
• metabolismul organismelor vii și fotosinteza plantelor sunt tipuri specializate de transfer de căldură, de muncă și de energie internă a sistemelor.

Glosar

prima lege a termodinamicii: afirmă că schimbarea energiei interne a unui sistem este egală cu transferul net de căldură în sistem minus munca netă efectuată de sistem

energia internă: suma energiilor cinetice și potențiale ale atomilor și moleculelor unui sistem

metabolismul uman: conversia alimentelor în transfer de căldură, muncă și grăsime stocată