Termodynamikens lagar är några av de viktigaste lagarna i all fysik, och att förstå hur man tillämpar var och en av dem är en avgörande färdighet för alla fysikstudenter.

Den första termodynamiklagen är i huvudsak ett uttalande om energibesparing, men det finns många användningsområden för denna specifika formulering som du behöver förstå om du vill lösa problem som rör värmemotorer.

Lärande vad adiabatiska, isobariska, isokoriska och isotermiska processer är och hur man tillämpar den första lagen för termodynamik i dessa situationer, hjälper dig att matematiskt beskriva beteendet hos ett termodynamiskt system när det utvecklas i tid.
Intern energi, arbete och värme

Termodynamikens första lag - som de andra termodynamiklagarna - kräver en förståelse av vissa nyckeltermer. Den interna energin i ett system är ett mått på den totala kinetiska energin och potentiella energin i ett isolerat molekylsystem; intuitivt kvantifierar detta bara mängden energi som finns i systemet.

Termodynamiskt arbete
är mängden arbete ett system gör på miljön, till exempel genom den värmeinducerade expansionen av en gas som skjuter en kolv utåt. Detta är ett exempel på hur värmeenergi i en termodynamisk process kan omvandlas till mekanisk energi, och det är kärnprincipen bakom driften av många motorer.

I sin tur värme
eller < em> termisk energi
är den termodynamiska energiöverföringen mellan två system. När två termodynamiska system är i kontakt (inte separerade av en isolator) och har olika temperaturer, sker värmeöverföring på detta sätt, från den varmare kroppen mot den kallare. Alla dessa tre kvantiteter är former av energi och mäts så i joule.
Termodynamikens första lag |

Den första lagen för termodynamik säger att värmen som tillförs systemet tillför den inre energin, medan arbetet som utförs av systemet minskar den inre energin. I symboler använder du ∆U
för att beteckna förändringen i intern energi, Q
för att stå för värmeöverföring och W
för det arbete som utförts av systemet, och så den första lagen i termodynamiken är:
∆U \u003d Q - W

Den första lagen för termodynamik relaterar därför systemets inre energi till två former av energiöverföring som kan äga rum, och som sådan är det bäst tänkt av som ett uttalande om lagen om bevarande av energi.

Eventuella förändringar i systemets interna energi kommer från antingen värmeöverföring eller utfört arbete, med värmeöverföring till systemet och arbetet gjort på systemet ökar den interna energin, och värmeöverföring från systemet och arbetet genom att det minskar den interna energin. Uttrycket i sig är lätt att använda och förstå, men att hitta giltiga uttryck för värmeöverföring och arbete som görs för att använda i ekvationen kan i vissa fall vara utmanande.
Exempel på den första termodynamiklagen | motorer är en vanlig typ av termodynamiska system som kan användas för att förstå grunderna i den första termodynamiken. Värmemotorer konverterar i huvudsak värmeöverföring till användbart arbete genom en fyrstegsprocess som innebär att värme tillförs en reservoar av gas för att öka dess tryck, den expanderar i volym som ett resultat, trycket minskar när värme utvinns från gasen och slutligen gasen komprimeras (dvs minskad i volym) när arbetet görs för att återföra den till systemets ursprungliga tillstånd och starta processen om igen.

Samma system idealiseras ofta som ett < em> Carnotcykel
, där alla processer är reversibla och inte innebär någon förändring i entropi, med ett steg av isotermisk (dvs. vid samma temperatur) expansion, ett steg med adiabatisk expansion (utan värmeöverföring), ett steg med isotermisk komprimering och ett steg med adiabatisk komprimering för att återföra det till det ursprungliga tillståndet.

Båda dessa processer (den idealiserade Carnot-cykeln och värmemotorscykeln) är vanligtvis ritade på en PV
diagram (kallas också en tryckvolymdiagram) och t dessa två kvantiteter är relaterade till den ideala gaslagen, som säger:
PV \u003d nRT

Var P
\u003d tryck, V
\u003d volym, n
\u003d antalet mol i gasen, R
\u003d universalgasskonstanten \u003d 8.314 J mol ^{−1 K −1 och T
\u003d temperatur. I kombination med den första termodynamiklagen kan denna lag användas för att beskriva stadierna i en värmemotorcykel. Ett annat användbart uttryck ger den interna energin U
för en idealisk gas:
U \u003d \\ frac {3} {2} nRT The Heat Engine Cycle -}

En enkel metod för att analysera värmen motorcykeln är att föreställa sig processen som äger rum på en rak sida i PV
tomten, där varje steg antingen äger rum vid ett konstant tryck (en isobarisk process) eller en konstant volym (en isokorisk process) .

Först från V
_{1 tillsätts värme och trycket stiger från P
1 till P
2, och eftersom volymen förblir konstant, vet du att det utförda arbetet är noll. För att ta itu med detta steg i problemet gör du två versioner av den ideala gaslagen för det första och andra tillståndet (kom ihåg att V
och n
är konstant): P
1 V
1 \u003d nRT
1 och P
2 V < 1 \u003d nRT
2, och subtrahera sedan den första från den andra för att få:
V_1 (P_2-P_1) \u003d nR (T_2 -T_1)}

Lösning för ändringen i temperaturen ger:
(T_2 - T_1) \u003d \\ frac {V_1 (P_2 - P_1)} {nR}

Om du letar efter förändringen i den interna energin kan du sedan infoga detta i uttrycket för intern energi < em> U
för att få:
\\ börja {inriktad} ∆U &\u003d \\ frac {3} {2} nR∆T \\\\ \\\\ &\u003d \\ frac {3} {2} nR \\ bigg ( \\ frac {V_1 (P_2 - P_1)} {nR} \\ bigg) \\\\ \\\\ &\u003d \\ frac {3} {2} V_1 (P_2-P_1) \\ slut {inriktad}

För andra etappen i cykel, gasens volym expanderar (och så att gasen fungerar) och mer värme tillsätts i processen (för att upprätthålla en konstant temperatur). I detta fall är arbetet W som utförs av gasen helt enkelt förändringen i volym multiplicerat med trycket P
_{2, vilket ger:
W \u003d P_2 (V_2 -V_1)}

Och temperaturen förändras med den ideala gaslagen, som tidigare (förutom att hålla P
_{2 som en konstant och komma ihåg att volymen ändras), vara:
T_2 - T_1 \u003d \\ frac {P_2 (V_2 - V_1)} {nR}}

Om du vill ta reda på den exakta mängden värme som tillsätts kan du använda den specifika värmekvationen vid ett konstant tryck för att hitta det. Du kan emellertid direkt beräkna systemets interna energi vid denna punkt som tidigare:
\\ begin {inriktad} ∆U &\u003d \\ frac {3} {2} nR∆T \\\\ \\\\ &\u003d \\ frac { 3} {2} nR \\ bigg (\\ frac {P_2 (V_2 - V_1)} {nR} \\ bigg) \\\\ \\\\ &\u003d \\ frac {3} {2} P_2 (V_2 - V_1) \\ end {inriktad}

Det tredje steget är i huvudsak motsatsen till det första steget, så att trycket minskar med en konstant volym (den här gången V
_{2), och värme utvinns från gasen. Du kan arbeta genom samma process baserad på den ideala gaslagen och ekvationen för systemets interna energi för att få:
∆U \u003d - \\ frac {3} {2} V_2 (P_2 - P_1)}

Notera det ledande minustecknet den här gången eftersom temperaturen (och därför energin) har minskat.

Slutligen ser det sista steget volymen minska när arbetet utförs på gasen och värmen som utvinns i en isobarisk process, vilket ger ett mycket liknande uttryck som förra gången för arbetet, utom med ett ledande minustecken:
W \u003d -P_1 (V_2 -V_1)

Samma beräkning ger förändringen i intern energi som:
∆U \u003d - \\ frac {3} {2} P_1 (V_2 - V_1) Andra lagar för termodynamik

Den första lagen för termodynamik är utan tvekan den mest praktiskt användbara för en fysiker, men de andra tre stora lagarna är värda en kort nämn också (även om de behandlas mer detaljerat i andra artiklar). Termodynamikens noll lag säger att om system A är i termisk jämvikt med system B, och system B är i jämvikt med system C, så är system A i jämvikt med system C.

Den andra lagen i termodynamik säger att entropin för alla slutna system tenderar att öka.

Slutligen säger termodynamikens tredje lag att systemets entropi närmar sig ett konstant värde när temperaturen närmar sig absolut noll.