fysik (Svenska)

Figur 1. Denna kokande te vattenkokare representerar energi i rörelse. Vattnet i vattenkokaren vänder sig till vattenånga eftersom värme överförs från kaminen till vattenkokaren. Eftersom hela systemet blir varmare, görs arbete-från förångningen av vattnet till vattenkokarens vissling. (kredit: Gina Hamilton)

om vi är intresserade av hur värmeöverföring omvandlas till att göra arbete, är bevarande av energiprincipen viktig., Termodynamikens första lag gäller bevarande av energiprincipen för system där värmeöverföring och arbete är metoderna för överföring av energi till och från systemet. Termodynamikens första lag säger att förändringen i intern energi i ett system motsvarar nettovärmeöverföringen i systemet minus det nettoarbete som systemet utför. I ekvationsform är termodynamikens första lag ΔU = Q-W.

här ΔU är förändringen i systemets interna energi U., Q är nettovärmen överförd till systemet-det vill säga Q är summan av all värmeöverföring till och från systemet. W är det nettoarbete som utförs av systemet-det vill säga W är summan av allt arbete som utförs på eller av systemet. Vi använder följande teckenkonventioner: om Q är positiv, så finns det en nettovärmeöverföring i systemet; om W är positiv, så är det nettoarbete som utförs av systemet. Så positiv Q lägger energi till systemet och positiv W tar energi från systemet. Därmed ΔU = Q − W., Observera också att om mer värmeöverföring till systemet sker än arbete, lagras skillnaden som intern energi. Värmemotorer är ett bra exempel på detta-värmeöverföring till dem sker så att de kan arbeta. (Se Figur 2.) Vi kommer nu att undersöka Q, W och ΔU ytterligare.

Figur 2. Termodynamikens första lag är energibesparingsprincipen som anges för ett system där värme och arbete är metoderna för överföring av energi för ett system i termisk jämvikt., Q representerar nettovärmeöverföringen-det är summan av alla värmeöverföringar till och från systemet. Q är positivt för nettovärmeöverföring till systemet. W är det totala arbetet på och av systemet. W är positivt när mer arbete görs av systemet än på det. Förändringen i systemets inre energi, ΔU, är relaterad till värme och arbete enligt termodynamikens första lag, ΔU = Q-W.,

Heat Q och Work W

Heat transfer (Q) och doing work (W) är de två vardagliga sätten att föra in energi i eller ta ut energi ur ett system. Processerna är ganska olika., Värmeöverföring, en mindre organiserad process, drivs av temperaturskillnader. Arbete, en ganska organiserad process, innebär en makroskopisk kraft som utövas genom ett avstånd. Ändå kan värme och arbete ge identiska resultat.Till exempel kan båda orsaka en temperaturökning. Värmeöverföring till ett system, till exempel när solen värmer luften i ett cykeldäck, kan öka temperaturen och så kan det fungera på systemet, som när cyklisten pumpar luft i däcket. När temperaturökningen har inträffat är det omöjligt att berätta om det orsakades av värmeöverföring eller genom att göra arbete., Denna osäkerhet är en viktig punkt. Värmeöverföring och arbete är både energi i transit – varken lagras som sådan i ett system. Båda kan dock ändra systemets interna energi U. Intern energi är en form av energi helt annorlunda än antingen värme eller arbete.

intern energi U

Vi kan tänka på systemets interna energi på två olika men konsekventa sätt. Den första är atomic och molecular view, som undersöker systemet på atomär och molekylär skala., Den inre energin U i ett system är summan av de kinetiska och potentiella energierna hos dess atomer och molekyler. Minns att kinetic plus potentiell energi kallas mekanisk energi. Således är intern energi summan av atomär och molekylär mekanisk energi. Eftersom det är omöjligt att hålla reda på alla enskilda atomer och molekyler måste vi ta itu med medelvärden och fördelningar. Ett andra sätt att se systemets inre energi är när det gäller dess makroskopiska egenskaper, som mycket liknar atomära och molekylära medelvärden.,

makroskopiskt definierar vi förändringen i intern energi ΔU till den som ges av termodynamikens första lag: ΔU = Q-W.

många detaljerade experiment har verifierat att ΔU = Q-W, där ΔU är förändringen i total kinetisk och potentiell energi hos alla atomer och molekyler i ett system. Det har också bestämts experimentellt att den interna energin U i ett system endast beror på systemets tillstånd och inte hur det nådde det tillståndet., Mer specifikt visar sig U vara en funktion av några makroskopiska kvantiteter (t.ex. tryck, volym och temperatur), oberoende av tidigare historia som om det har skett värmeöverföring eller arbete. Detta oberoende innebär att om vi känner till tillståndet i ett system, kan vi beräkna förändringar i sin interna energi U från några makroskopiska variabler.,

för att få en bättre uppfattning om hur man tänker på systemets interna energi, låt oss undersöka ett system som går från stat 1 till stat 2., Systemet har intern energi U1 i Stat 1, och det har intern energi U2 i Stat 2, oavsett hur det kom till någon stat. Så förändringen i intern energi ΔU = U2-U1 är oberoende av vad som orsakade förändringen. Med andra ord är ΔU oberoende av vägen. Med väg menar vi metoden att komma från utgångspunkten till slutpunkten. Varför är detta oberoende viktigt? Observera att ΔU = Q-W. både Q och Wberoende på bana, men ΔU gör det inte. Denna väg oberoende innebär att intern energi U är lättare att överväga än antingen värmeöverföring eller arbete.

Exempel 1., Beräkning av förändring i intern energi: samma förändring i U produceras av två olika processer

1. Antag att det finns värmeöverföring av 40.00 J till ett system, medan systemet gör 10.00 J av arbetet. Senare finns värmeöverföring av 25.00 J ur systemet medan 4.00 J av arbetet görs på systemet. Vad är nettoförändringen i systemets interna energi?
2. vad är förändringen i intern energi i ett system när totalt 150.00 J av värmeöverföring sker ur (från) systemet och 159.00 J av arbetet görs på systemet? (Se Figur 3).,

Figur 3. Två olika processer ger samma förändring i ett system. (a) totalt 15.00 J värmeöverföring sker i systemet, medan arbetet tar ut totalt 6.00 J. förändringen i intern energi är ΔU=Q−W=9.00 J. (B) värmeöverföring tar bort 150.00 J från systemet medan arbetet sätter 159.00 J in i det, vilket ger en ökning av 9.00 J i intern energi., Om systemet börjar i samma tillstånd i a och b kommer det att hamna i samma slutliga tillstånd i båda fallen – dess slutliga tillstånd är relaterat till intern energi, inte hur den energin förvärvades.

strategi

i del 1 måste vi först hitta nettovärmeöverföringen och nettoarbetet från den givna informationen. Då kan termodynamikens första lag (ΔU = Q − W) användas för att hitta förändringen i intern energi. I del b ges nettovärmeöverföringen och arbetet, så ekvationen kan användas direkt.,

lösning för del 1

nettovärmeöverföringen är värmeöverföringen till systemet minus värmeöverföringen från systemet, eller

Q = 40.00 J − 25.00 J = 15.00 J.

på samma sätt är det totala arbetet som utförs av systemet minus arbetet på systemet, eller

W = 10.00 j − 4.00 j = 6.00 J.

således förändringen i inre energi ges av termodynamikens första lag:

δu = q − w = 15.00 J − 6.00 J = 9.00 J.,

Vi kan också hitta förändringen i intern energi för var och en av de två stegen. Först överväga 40.00 J av värmeöverföring i och 10.00 J av arbetet, eller ΔU1 = Q1 − W1 = 40.00 J − 10.00 J = 30.00 J.

nu överväga 25.00 J av värmeöverföring ut och 4.00 J av arbetet i, eller

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

den totala förändringen är summan av dessa två steg, eller ΔU = δu1 + δu2 = 30.00 j + (-21.00 J) = 9.00 J.,

diskussion på Del 1

oavsett om du tittar på den övergripande processen eller bryter den i steg, är förändringen i intern energi densamma.

lösning för del 2

här ges nettovärmeöverföringen och det totala arbetet direkt för att vara Q=-150.00 J och W=-159.00 J, så att

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

diskussion på Del 2

en mycket annorlunda process i del 2 ger samma 9,00-J-förändring i inre energi som i del 1., Observera att förändringen i systemet i båda delarna är relaterad till ΔU och inte till de enskilda Qs eller Ws inblandade. Systemet hamnar i samma tillstånd i båda delarna. Delar 1 och 2 presenterar två olika vägar för att systemet ska följa mellan samma start—och slutpunkter, och förändringen i intern energi för var och en är densamma-den är oberoende av banan.

mänsklig Metabolism och termodynamikens första lag

mänsklig metabolism är omvandlingen av mat till värmeöverföring, arbete och lagrat fett. Metabolism är ett intressant exempel på termodynamikens första lag i aktion., Vi tar nu en annan titt på dessa ämnen via termodynamikens första lag. Med tanke på kroppen som systemet av intresse, kan vi använda den första lagen för att undersöka värmeöverföring, gör arbete och inre energi i aktiviteter som sträcker sig från sömn till tung träning. Vilka är några av de viktigaste egenskaperna hos värmeöverföring, gör arbete och energi i kroppen? För en hålls kroppstemperaturen normalt konstant genom värmeöverföring till omgivningen. Det betyder att Q är negativ. Ett annat faktum är att kroppen vanligtvis arbetar på omvärlden. Det betyder att W är positiv., I sådana situationer förlorar kroppen inre energi, eftersom ΔU = Q-W är negativ.

nu överväga effekterna av att äta. Äta ökar kroppens inre energi genom att lägga till kemisk potentiell energi (Detta är en oromantisk syn på en bra biff). Kroppen metaboliserar all mat vi konsumerar. I grund och botten är metabolism en oxidationsprocess där den kemiska potentiella energin hos mat frigörs. Detta innebär att livsmedelsinmatningen är i form av arbete. Mat energi rapporteras i en särskild enhet, känd som kalori., Denna energi mäts genom att bränna mat i en kalorimeter, vilket är hur enheterna bestäms.

i kemi och biokemi definieras en kalori (stavad med gemener c) som den energi (eller värmeöverföring) som krävs för att höja temperaturen på ett gram rent vatten med en grad Celsius. Dietister och vikt-watchers tenderar att använda kosten kalori, som ofta kallas en kalori (stavas med en kapital C). En Matkalori är den energi som behövs för att höja temperaturen på ett kilo vatten med en grad Celsius., Detta innebär att en dietkalori är lika med en kilokalori för kemisten, och man måste vara försiktig för att undvika förvirring mellan de två.

återigen, överväga den inre energin som kroppen har förlorat. Det finns tre ställen som denna interna energi kan gå-till värmeöverföring, att göra arbete och att lagra fett (en liten bråkdel går också till cellreparation och tillväxt). Värmeöverföring och arbete tar inre energi ur kroppen, och mat sätter tillbaka den. Om du äter precis rätt mängd mat, förblir din genomsnittliga inre energi konstant., Vad du än förlorar för värmeöverföring och arbete ersätts av mat, så att i det långa loppet ΔU=0. Om du överdriver upprepade gånger är ΔU alltid positiv, och din kropp lagrar denna extra inre energi som fett. Det omvända är sant om du äter för lite. Om ΔU är negativ i några dagar, metaboliserar kroppen sitt eget fett för att upprätthålla kroppstemperatur och göra arbete som tar energi från kroppen. Denna process är hur dieting producerar viktminskning.

livet är inte alltid så enkelt, som någon dieter vet., Kroppen lagrar fett eller metaboliserar det endast om energiintaget ändras under en period av flera dagar. När du har varit på en stor diet, nästa är mindre framgångsrik eftersom din kropp förändrar hur det svarar på lågt energiintag. Din basala ämnesomsättning (BMR) är den hastighet med vilken mat omvandlas till värmeöverföring och arbete medan kroppen är i fullständig vila. Kroppen anpassar sin basala metaboliska hastighet för att delvis kompensera för över-ätande eller under-ätande. Kroppen kommer att minska ämnesomsättningen snarare än att eliminera sitt eget fett för att ersätta förlorat födointag., Du kommer att kyla lättare och känna dig mindre energisk som ett resultat av den lägre metaboliska hastigheten, och du kommer inte att gå ner i vikt så fort som tidigare. Motion hjälper till att gå ner i vikt, eftersom det ger både värmeöverföring från kroppen och arbete, och höjer din ämnesomsättning även när du är i vila. Viktminskning stöds också av kroppens ganska låga effektivitet vid omvandling av intern energi till arbete, så att förlusten av intern energi som härrör från att göra arbete är mycket större än arbetet done.It bör dock noteras att levande system inte är i termisktjämvikt.,

kroppen ger oss en utmärkt indikation på att många termodynamiska processer är irreversibla. En irreversibel process kan gå i en riktning men inte omvänd, under en viss uppsättning villkor. Till exempel, även om kroppsfett kan omvandlas till att göra arbete och producera värmeöverföring, kan arbete på kroppen och värmeöverföring till det inte omvandlas till kroppsfett. Annars kan vi hoppa över lunchen genom att sola oss själva eller gå nerför trappan. Ett annat exempel på en irreversibel termodynamisk process är fotosyntes., Denna process är intaget av en form av energi—ljus—av växter och dess omvandling till kemisk potentiell energi. Båda tillämpningarna av termodynamikens första lag illustreras i Figur 4. En stor fördel med bevarandelagar som termodynamikens första lag är att de noggrant beskriver början och slutpunkterna för komplexa processer, såsom metabolism och fotosyntes, utan hänsyn till komplikationerna däremellan. Tabell 1 innehåller en sammanfattning av termer som är relevanta för termodynamikens första lag.,

Figur 4. a) termodynamikens första lag tillämpas på ämnesomsättningen. Värme som överförs ut ur kroppen (Q) och arbete som utförs av kroppen (W) tar bort inre energi, medan matintaget ersätter det. (Födointag kan betraktas som arbete på kroppen.) (B) växter omvandlar en del av strålningsvärmeöverföringen i solljus till lagrad kemisk energi, en process som kallas fotosyntes.

Sektionssammanfattning

• termodynamikens första lag ges som ΔU = Q − W, där ΔU är förändringen i intern energi i ett system, Q är nettovärmeöverföringen (summan av all värmeöverföring till och från systemet), och W är nettoarbetet (summan av allt arbete som utförts på eller av systemet).
• både Q och W är energi i transit; endast ΔU representerar en oberoende kvantitet som kan lagras.,
• den interna energin U i ett system beror endast på systemets tillstånd och inte hur det nådde det tillståndet.
• Metabolism av levande organismer och fotosyntes av växter är specialiserade typer av värmeöverföring, arbete och inre energi i system.

ordlista

termodynamikens första lag: anger att förändringen i ett systems interna energi motsvarar nettovärmeöverföringen till systemet minus det nettoarbete som systemet utför

intern energi: summan av de kinetiska och potentiella energierna i ett systems atomer och molekyler

mänsklig metabolism: omvandling av mat till värmeöverföring, arbete och lagrat fett