Chemija · Pamoka

Vidinė energija ir pirmasis termodinamikos dėsnis

Sudarykite uždarosios sistemos energijos mainų balansą ir atskirkite galinės būsenos savybę nuo energijos perdavimo, priklausančio nuo proceso eigos. Patikrinkite, kodėl skirtingi šilumos ir darbo kiekiai gali lemti tokį patį vidinės energijos pokytį.

Grįžti į chemijos planą

Baigę pamoką, galėsite

Taikyti ΔU = q + w nurodytomis uždarosios sistemos sąlygomis.
Atskirti būsenos funkcijas nuo dydžių, priklausančių nuo proceso eigos.
Patikrinti, ar ženklų apskaita atitinka pasirinktą sistemos ribą.

Vidinė energija apibūdina būseną

Vidinė energija U apima su pasirinkta medžiaga susijusią mikroskopinę energiją, įskaitant atitinkamą judėjimą ir sąveikas. Termodinaminės būsenos aprašas nustato jos vertę pasirinkto atskaitos lygio atžvilgiu. Pokytis ΔU = U_final − U_initial palygina galinę ir pradinę būsenas; atskaitos lygio poslinkis skirtume panaikinamas.

Čia sistema yra uždaroji ir nejuda, o jos makroskopinė kinetinė ar gravitacinė potencinė energija atskirai nekinta. Šios sąlygos leidžia paprastame vidinės energijos balanse apsiriboti šiluma ir darbu. Medžiagos srautui ar kitoms aiškiai apskaitomoms energijos atsargoms reikia platesnės apskaitos.

Sudėkite perduotą energiją atsižvelgdami į ženklus

Taikant chemijoje įprastą ženklų susitarimą, pirmasis termodinamikos dėsnis šiuo atveju yra ΔU = q + w. Sistemai gavus 500 J šilumos ir atlikus 200 J darbą, q = +500 J, w = −200 J, o ΔU = +300 J. Vidinės energijos padidėjimas yra mažesnis už gautą šilumos kiekį, nes dalis energijos perduodama aplinkai atliekant darbą.

Jei aplinka atlieka darbą su sistema, šis indėlis yra teigiamas. Nepriskirkite neigiamo ženklo vien todėl, kad minimas darbas. Pirmiausia nustatykite energijos perdavimo kryptį pasirinktos sistemos atžvilgiu, tada sudėkite perduotos energijos kiekius su atitinkamais ženklais.

Būsenų skirtumas ir proceso kelias – skirtingi klausimai

U yra būsenos funkcija: toms pačioms pradinei ir galutinei būsenoms ΔU yra vienodas. Šilumos kiekis q ir darbas w priklauso nuo to, kokiu keliu procesas jungia šias būsenas. Naudingame išgalvotame energijos apskaitos palyginime numatyti du keliai tarp tų pačių būsenų: vienu atveju šilumos kiekis yra +500 J, o darbas −200 J, kitu – šilumos kiekis +450 J, o darbas −150 J.

Abiem keliais gaunama ΔU = +300 J, nors atskiri šilumos kiekiai ir darbai skiriasi. Lentelė yra originalus energijos apskaitos pavyzdys, o ne fizikinis variklio modeliavimas. Suderintas energijos balansas yra būtinas, tačiau tikram įrenginiui taip pat reikia fiziškai įmanomo proceso kelio ir išsamios visų energijos perdavimų apskaitos.

Skirtingi energijos perdavimai gali lemti tą patį galutinį pokytį

Priimtas proceso kelias	Šiluma q / J	Su sistema atliekamas darbas w / J	Vidinės energijos pokytis ΔU / J
Kelias 1	+500	−200	+300
Kelias 2	+450	−150	+300
Patikra	Skirtingas q	Skirtingas w	Ta pati q + w suma ir tos pačios pradinė bei galutinė būsenos

Sukurti hipotetiniai proceso keliai, kurie pagal prielaidą jungia tas pačias pradinę ir galutinę uždarosios sistemos būsenas. Vertės nurodo perduotos energijos kiekius džauliais su ženklais; nevaizduojamas joks tikras variklis ar matavimas.

Nulinis bendras pokytis nereiškia, kad energija neperduodama

Sistemos ΔU gali būti 0, nors ji gauna šilumos ir atlieka tokio pat dydžio darbą. Panašiai, pasibaigus uždaram ciklui, sistema grįžta į pradinę būseną, todėl bendras U pokytis yra nulinis, nors ciklo metu per jos ribą galėjo būti perduodama energija šilumos ir darbo pavidalu.

Izoliuotos sistemos atveju nurodytomis sąlygomis ir q, ir w yra lygūs nuliui, o U išlieka pastovi. Adiabatinės sistemos atveju tik q turi būti lygus nuliui; jos ΔU gali būti lygus nenuliniam darbui. Šios išvados kyla iš skirtingų sąlygų ties sistemos riba, o ne iš tarpusavyje sukeičiamų pavadinimų.

Išnagrinėti pavyzdžiai

Skaičiuodami atsižvelkite į darbo kryptį

Uždara nejudanti sistema gauna 500 J šilumos ir atlieka 200 J darbą su aplinka. Kam lygus ΔU pagal nurodytą ženklų susitarimą?

Kadangi šiluma gaunama, q = +500 J.
Sistemai atliekant darbą, w = −200 J.
Taikykite ΔU = q + w = 500 − 200 J.

ΔU = +300 J. Sistemos vidinė energija padidėja 300 J.

Pabandykite patys

Ar q vertė turi būti vienoda visiems proceso keliams tarp tų pačių būsenų?
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Ne.
Šilumos kiekis priklauso nuo proceso kelio, o ΔU lemia pradinė ir galinė būsenos.
Kai q = +450 J ir w = −150 J, kam lygi ΔU?
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
+300 J.
Sudėkite perduotos energijos kiekius, atsižvelgdami į jų ženklus.
Jei ΔU = 0, ar šilumos kiekis ir darbas būtinai turi būti lygūs nuliui?
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Ne.
Nenuliniai perduotos energijos kiekiai bendrame balanse gali vienas kitą kompensuoti.
Šiomis sąlygomis su adiabatine sistema atliekamas +100 J darbas. Kokia yra ΔU vertė?
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
+100 J.
q = 0, todėl ΔU = w.

Ką verta įsidėmėti

Vidinės energijos pokytis priklauso tik nuo pradinės ir galutinės būsenų.
Šiluma ir darbas priklauso nuo proceso kelio.
Sudėkite perduotos energijos kiekius pagal sistemai taikomą ženklų susitarimą.
Nulinis bendrasis pokytis galimas ir esant nenuliniams perduotos energijos kiekiams.

Šaltiniai

Mokomoji medžiaga ir žinynai, kuriais remiasi pamokos paaiškinimai ir pavyzdžiai.