Πρώτος Νόμος Θερμοδυναμικής Περιορισμοί
Η ενέργεια είναι μια διατηρημένη ποσότητα που πρέπει να μεταφερθεί σε ένα φυσικό σύστημα για να εκτελέσει μια συγκεκριμένη εργασία. Υπονοεί την ικανότητα να ολοκληρώσει μια συγκεκριμένη εργασία. Η θερμοδυναμική είναι ελληνική λέξη και αποτελείται από δύο λέξεις - Thermo + Dynamics, όπου,
Thermo σημαίνει θερμότητα και δυναμική σημαίνει κίνηση, επομένως η θερμοδυναμική μεταφράζεται σε κίνηση ή ροή θερμότητας. Η Θερμοδυναμική είναι ο κλάδος της επιστήμης που μελετά την ενέργεια, τον μετασχηματισμό ενέργειας, τη σχέση μεταξύ εργασίας, ενέργειας, θερμότητας και θερμοκρασίας. Σε ένα ευρύτερο πλαίσιο, η θερμοδυναμική εστιάζει στη μετατροπή ενέργειας από τη μια μορφή στην άλλη και στη μετάδοση ενέργειας από τη μια σύνθεση στην άλλη.
Η θερμοδυναμική ασχολείται μόνο με την αλληλομετατροπή της ενέργειας, όχι με τη αθροιστική ενέργεια του σώματος.
Ο «Πατέρας της Θερμοδυναμικής» αναφέρεται συχνά ως Nicolas Leonard Sadi Carnot.
Η μελέτη της θερμοδυναμικής βασίζεται εξ ολοκλήρου στις γενικεύσεις που προέρχονται από τον πρώτο, δεύτερο και τρίτο νόμο της θερμοδυναμικής.
Πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής
Ο νόμος αυτός ορίζει ότι η ενέργεια δεν μπορεί να δημιουργηθεί ή να καταστραφεί. Μπορεί να αλλάξει μόνο από μια συγκεκριμένη κατάσταση στην επόμενη.
Η συνολική ενέργεια που αποτελείται από το σύμπαν είναι σταθερή.
Όταν ένα είδος ενέργειας εξαφανίζεται, εμφανίζεται μια άλλη μορφή ενέργειας.
Είναι αδύνατο να κατασκευαστεί μια μηχανή διαρκούς κίνησης, η οποία μπορεί να δώσει έξοδο χωρίς να καταναλώνει ενέργεια.
Αν και η ενέργεια αλλάζει από τη μια μορφή στην άλλη, η συνολική ενέργεια ενός απομονωμένου συστήματος παραμένει σταθερή. Όταν ένα σύστημα αλλάζει από αρχική κατάσταση σε τελική κατάσταση, αλλάζει την εσωτερική ενέργεια από Ε σε Ε. Έτσι, το Ε μπορεί να γραφτεί ως:
ΔE=Ef+Ei
Η αλλαγή στην εσωτερική ενέργεια μπορεί να πραγματοποιηθεί με τους ακόλουθους δύο τρόπους - Είτε με απορρόφηση είτε με εξέλιξη.
Κάνοντας εργασία στο σύστημα ή εργασία που γίνεται από το σύστημα. Τώρα, σκεφτείτε ένα σύστημα του οποίου η εσωτερική ενέργεια είναι E1. Εάν το σύστημα τροφοδοτείται με q ποσότητα θερμότητας, η εσωτερική ενέργεια του συστήματος θα γίνει E1+ q. Αν γίνει επίσης εργασία w στο σύστημα, η τελική εσωτερική ενέργεια γίνεται Ε2. Ως εκ τούτου,
E2=E1 + q +w
E2– E1=q + w
ΔE =q + w
Η προαναφερθείσα εξίσωση είναι η σωστή μαθηματική εξίσωση για τον πρώτο νόμο της θερμοδυναμικής.
Για παράδειγμα,
Η κινητική ενέργεια μπορεί να μετατραπεί σε θερμική ενέργεια όταν ένας οδηγός πατήσει τα φρένα για να μειώσει την ταχύτητα του αυτοκινήτου. Εδώ, η ενέργεια δεν καταστρέφεται, αλλά η κινητική ενέργεια που υπάρχει λόγω της κίνησης του αυτοκινήτου μετατρέπεται σε θερμική ενέργεια.
Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής Σημασία:-
- Αυτός ο νόμος είναι κατάλληλος για όλες τις διαδικασίες στη φύση.
- Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής καθιέρωσε για πρώτη φορά την εσωτερική ενέργεια.
- Τονίζει επίσης ότι αν θέλουμε να κάνουμε λίγη δουλειά από ένα μηχάνημα, πρέπει να το τροφοδοτούμε με ισοδύναμη ενέργεια.
- Αυτός ο νόμος είναι η επαναδιατύπωση του νόμου της διατήρησης της ενέργειας.
- Αυτός ο νόμος συμβάλλει επίσης στη δημιουργία μιας σχέσης μεταξύ εργασίας και θερμότητας. Σύμφωνα με αυτόν τον νόμο, η εσωτερική ενέργεια οποιουδήποτε συστήματος μπορεί να αυξηθεί είτε παρέχοντας θερμότητα σε αυτό είτε κάνοντας προσπάθειες στο σύστημα ή και τα δύο.
Ο πρώτος νόμος των περιορισμών της θερμοδυναμικής
Σημασία:
- Ο πρώτος νόμος καθορίζει τη σχέση μεταξύ της εργασίας που εκτελείται και της θερμότητας που απορροφάται κατά την εκτέλεση αυτής της εργασίας, αλλά δεν προσδιορίζει την κατεύθυνση της ροής της θερμότητας που αποτελεί σημαντικό μειονέκτημα αυτού του νόμου.
Παράδειγμα- Δεν μπορούμε να εξαγάγουμε θερμότητα από έναν κύβο πάγου ψύχοντάς τον σε χαμηλές θερμοκρασίες. Απαιτεί κάποια εξωτερική εργασία. Σε πρακτικό επίπεδο, δεν είναι δυνατό να μετατραπεί η θερμική ενέργεια σε ισοδύναμη ποσότητα εργασίας.
- β) Δεν προσδιορίζει τη σκοπιμότητα της αντίδρασης.
Παράδειγμα- Όταν μια ράβδος θερμαίνεται από το ένα άκρο, πρέπει να επιτευχθεί μια ισορροπία, η οποία είναι δυνατή μόνο με κάποια απελευθέρωση ενέργειας. Δεν μιλάει για την εντροπία του συστήματος.
- γ) Επίσης, αποτυγχάνει να πει για την τελική θερμοκρασία δύο σωμάτων όταν έρχονται σε επαφή.
Για να ξεπεραστούν οι περιορισμοί του πρώτου νόμου της θερμοδυναμικής, θεσπίστηκε ένας άλλος νόμος, γνωστός ως ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής. Με απλά λόγια, αυτός ο νόμος μας λέει ότι τα πράγματα σε υψηλές θερμοκρασίες σίγουρα θα κρυώσουν αν δεν κάνουμε κάτι για να τα σταματήσουμε. Αυτό σημαίνει ότι η κατεύθυνση της ροής θερμότητας είναι από χαμηλότερη προς υψηλότερη εντροπία.
Συμπέρασμα
Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής είναι πρωτίστως μια επαναδιατύπωση της αρχής διατήρησης της ενέργειας, η οποία ισχυρίζεται ότι η ενέργεια δεν μπορεί να δημιουργηθεί ή να καταστραφεί. Μπορεί να μετατραπεί και να αλλάξει μόνο από μια μορφή σε άλλη.
Αυτός ο νόμος ισχύει και για τις τρεις φάσεις της ύλης, δηλαδή, στερεό, υγρό και αέριο. Ωστόσο, ορισμένοι περιορισμοί, όπως η αποτυχία καθορισμού της κατεύθυνσης της ροής θερμότητας, οδήγησαν στην καθιέρωση του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής από τους Rudolf Clausius και William Thomson (Kelvin).
