» » » » » » Prima lege a termodinamicii

Prima lege a termodinamicii

postat în: Termodinamica | 0

Prima lege a termodinamicii (Prima lege a termodinamicii definește energia internă (E) ca fiind egală cu diferența transferului de căldură (Q) într-un sistem și lucrul mecanic (W) realizat de sistem: E2 – E1 = Q – W. Credit NASA)

Prima lege a termodinamicii este o versiune a legii conservării energiei, adaptată sistemelor termodinamice. Legea conservării energiei afirmă că energia totală a unui sistem izolat este constantă; energia poate fi transformată dintr-o formă în alta, dar nu poate fi nici creată, nici distrusă. Prima lege este adesea formulată

Δ U = Q – W.

Se afirmă că schimbarea energiei interne ΔU a unui sistem închis este egală cu cantitatea de căldură Q furnizată sistemului, minus cantitatea de lucru mecanic W realizat de sistem în vecinătatea sa. O declarație echivalentă este că mașinile de mișcare perpetuă (perpetuum mobile) de primul tip sunt imposibile.

Declarația revizuită conceptual, conform abordării mecanice

Declarația revizuită a primei legi prevede că o schimbare a energiei interne a unui sistem datorată oricărui proces arbitrar, care duce sistemul dintr-o stare termodinamică inițială la o anumită stare termodinamică finală de echilibru, poate fi determinată prin existența fizică, pentru acele stări date, a unui proces de referință care are loc doar prin etapele de lucru adiabatic.

Declarația revizuită este atunci:

Pentru un sistem închis, în orice proces arbitrar de interes care îl duce de la o stare inițială la o stare finală a echilibrului termodinamic intern, schimbarea energiei interne este aceeași cu cea pentru un proces de lucru mecanic adiabatic de referință care leagă cele două stări. Acest lucru este independent de calea procesului de interes și indiferent dacă este vorba de un proces adiabatic sau non-adiabatic. Procesul de lucru mecanic adiabatic de referință poate fi ales arbitrar din clasa tuturor acestor procese.

Această afirmație este mult mai puțin apropiată de baza empirică decât declarațiile originale, dar este adesea privită ca parsimonioasă din punct de vedere conceptual, deoarece se bazează numai pe conceptele de lucru mecanic adiabatic și pe procesele non-adiabatice, și nu pe noțiunile de transfer de energie precum căldura și temperatura empirică, care sunt presupuse de declarațiile originale. În mare măsură prin influența lui Max Born, adesea este considerat teoretic preferabil din cauza acestei parsimonii conceptuale. Born remarcă în special că abordarea revizuită evită gândirea în termenii a ceea ce el numește conceptul de ”inginerie importată” a motoarelor termice.

Bazându-se pe abordarea mecanică, Born, în 1921 și din nou în 1949, a propus revizuirea definiției căldurii. În special, el a făcut referire la opera lui Constantin Carathéodory, care a declarat în 1909 prima lege fără a defini cantitatea de căldură. Definiția lui Born a fost specifică pentru transferurile de energie fără transfer de materie și a fost urmărită pe scară largă în manuale. Born observă că un transfer de materie între două sisteme este însoțit de un transfer de energie internă care nu poate fi rezolvat în componente de căldură și de lucru mecanic. Pot exista căi către alte sisteme, separate spațial de cele ale transferului de materie, care permit transferul de căldură și de lucru mecanic independent și simultan cu transferul de materie. Energia este conservată în astfel de transferuri.

Descriere

Prima lege a termodinamicii pentru un sistem închis a fost exprimată în două moduri de către Clausius. Un mod s-a referit la procesele ciclice și la intrările și ieșirile sistemului, dar nu s-a referit la creșteri ale stării interne a sistemului. Celălalt mod s-a referit la o schimbare treptată a stării interne a sistemului și nu s-a așteptat ca procesul să fie ciclic.

Un proces ciclic este unul care poate fi repetat pe termen nelimitat, întorcând sistemul la starea sa inițială. Un interes deosebit pentru ciclul unic al unui proces ciclic îl reprezintă activitatea netă și căldura netă preluată de sistem (sau „consumată”, în declarația lui Clausius).

Într-un proces ciclic în care sistemul funcționează net în vecinătățile sale, se observă că este necesar din punct de vedere fizic nu numai ca să fie adusă căldura în sistem, ci, de asemenea, este important că o anumită căldură părăsește sistemul. Diferența este căldura transformată de ciclu în lucru mecanic. În fiecare repetare a unui proces ciclic, activitatea netă efectuată de sistem, măsurată în unități mecanice, este proporțională cu căldura consumată, măsurată în unități calorimetrice.

Constanta proporționalității este universală și independentă de sistem, iar în 1845 și 1847 a fost măsurată de James Joule, care a descris-o ca fiind echivalentul mecanic al căldurii.

Într-un proces non-ciclic, schimbarea energiei interne a unui sistem este egală cu energia netă adăugată sub formă de căldură către sistem minus lucrul mecanic net efectuat de sistem, ambele fiind măsurate în unități mecanice. Luând ΔU ca o schimbare a energiei interne, se scrie

Δ U = Q – W (convenția de semn a lui Claudius)

unde Q reprezintă cantitatea netă de căldură furnizată sistemului de către vecinătatea sa și W reprezintă lucrul mecanic net efectuat de sistem. Această convenție de semn este implicită în declarația lui Clausius despre legea dată mai sus. Ea a provenit din studiul motoarelor termice care produc un lucru mecanic util prin consumul de căldură.

Adesea, în prezent, scriitorii folosesc convenția IUPAC prin care prima lege este formulată cu lucrul mecanic făcut asupra sistemului de către vecinătatea sa având un semn pozitiv. Cu această convenție adesea folosită acum pentru lucrul mecanic, se poate scrie prima lege pentru un sistem închis:

Δ U = Q + W (convenția de semn IUPAC).

Această convenție a fost folosită de fizicieni precum Max Planck și consideră că toate transferurile nete de energie către sistem sunt pozitive și că toate transferurile nete de energie din sistem sunt negative, indiferent de orice utilizare a sistemului ca motor sau alt dispozitiv.

Atunci când un sistem se extinde într-un proces quasistatic fictiv, lucrul mecanic realizat de sistem pe mediu este produsul, P dV, al presiunii P și schimbării de volum dV, în timp ce lucrul mecanic efectuat asupra sistemului sistem este -P dV. Utilizând oricare convenție de semn pentru lucrul mecanic, schimbarea energiei interne a sistemului este:

dU = δQ – PdV (proces cvasi-static),

unde δQ reprezintă cantitatea infinitezimală de căldură furnizată sistemului din vecinătatea sa.

Lucrul mecanic și căldura sunt expresii ale proceselor fizice reale de acumulare sau de îndepărtare a energiei, în timp ce energia internă U este o abstracție matematică care ține cont de schimburile de energie care au legătură cu sistemul. Astfel, termenul căldură pentru Q înseamnă „cantitatea de energie adăugată sau eliminată prin conducția căldurii sau prin radiația termică”, în loc să se refere la o formă de energie în sistem. De asemenea, termenul de energie de lucru mecanic pentru W înseamnă „acea cantitate de energie câștigată sau pierdută ca rezultat al lucrului mecanic”. Energia internă este o proprietate a sistemului, în timp ce lucrul mecanic efectuat și furnizarea de căldură nu sunt. Un rezultat semnificativ al acestei distincții constă în faptul că o anumită schimbare internă de energie ΔU poate fi realizată prin, în principiu, multe combinații de căldură și de lucru mecanic.

Summary
Review Date
Reviewed Item
Prima lege a termodinamicii
Author Rating
51star1star1star1star1star

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *

Acest sit folosește Akismet pentru a reduce spamul. Află cum sunt procesate datele comentariilor tale.