Πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής για ένα κλειστό σύστημα

Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής λέει ότι η ενέργεια δεν μπορεί ούτε να δημιουργηθεί ούτε να καταστραφεί. Με άλλα λόγια, η συνολική ποσότητα ενέργειας για ένα κλειστό σύστημα - όπως η Γη - παραμένει σταθερή. Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής ισχύει για όλες τις φυσικές και χημικές διεργασίες αλλά όχι για τις πυρηνικές λειτουργίες. Αυτός είναι ένας από τους πιο σημαντικούς νόμους της φυσικής γιατί μας βοηθά να κατανοήσουμε πώς λειτουργεί το Σύμπαν!

Πολλοί θεωρούν τον πρώτο θερμοδυναμικό νόμο ως μια απλή πρόταση, αλλά είναι αρκετά περίπλοκη. Για παράδειγμα, πολλοί άνθρωποι δυσκολεύονται να κατανοήσουν την έννοια του «κλειστού συστήματος». Ένα κλειστό σύστημα δεν συνεπάγεται εξωτερικές δυνάμεις που δρουν πάνω ή μέσα στο σύστημα και δεν υπάρχει καθαρή μεταφορά μάζας μεταξύ του συστήματος και του περιβάλλοντος του. Δεν έχει να κάνει μόνο με το τι μπαίνει ή βγαίνει, αλλά και το πού πάνε τα πράγματα όταν φεύγουν.

Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής είναι μια δήλωση της αρχής της διατήρησης της ενέργειας. Δηλώνει ότι η συνολική ενέργεια, κινητική συν δυναμικό, σε ένα απομονωμένο σύστημα, είναι σταθερή. Αυτό σημαίνει ότι η συνολική ενέργεια μέσα, ή σε αυτήν την περίπτωση, έξω από ένα κλειστό σύστημα, θα παραμείνει η ίδια, ακόμα κι αν κάποιες μορφές αλλάξουν σε άλλες μορφές. Θα δούμε πώς εισέρχεται και εξέρχεται η θερμότητα από ένα κλειστό σύστημα μέσα από μερικά παραδείγματα.

Κλειστό σύστημα

Ένα κλειστό σύστημα είναι ένα σύστημα που δεν έχει αλληλεπιδράσεις με το περιβάλλον του. Ένα κλειστό σύστημα συνεπάγεται ότι δεν ασκούνται εξωτερικές δυνάμεις πάνω ή εντός του συστήματος και δεν υπάρχει καθαρή μεταφορά μάζας μεταξύ του συστήματος και του περιβάλλοντος χώρου του.

Για να θεωρηθεί μια διαδικασία «κλειστή», πρέπει επίσης να είναι μια σταθερή κατάσταση. Αυτό σημαίνει ότι οι συγκεντρώσεις όλων των αντιδρώντων και προϊόντων δεν αλλάζουν με το χρόνο. Επιπλέον, εάν προκύψουν οποιεσδήποτε αντιδράσεις στο δοχείο αντίδρασης, θα πρέπει να έχουν φτάσει σε ισορροπία μεταξύ τους προτού μπορέσουν να ληφθούν φυσικές μετρήσεις.

Τι συμβαίνει όταν προσθέτετε θερμότητα σε ένα κλειστό σύστημα;

Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής δηλώνει ότι η συνολική ενέργεια ενός κλειστού συστήματος παραμένει σταθερή ανεξάρτητα από το πώς επηρεάζεται από το έργο ή άλλες διεργασίες. Με άλλα λόγια, όταν προσθέτετε θερμότητα σε ένα κλειστό σύστημα, η συνολική ενέργεια θα παραμείνει ίδια. Αλλά, όταν αφαιρείτε τη θερμότητα από ένα κλειστό σύστημα, η συνολική ενέργεια θα μειωθεί μέχρι να φτάσει στο μηδέν.

Για παράδειγμα, αν έχετε νερό στους 120 βαθμούς Φαρενάιτ και προσθέσετε θερμότητα σε αυτό (ανεβάσετε τη θερμοκρασία του), τότε η συνολική ενέργεια δεν αλλάζει. Εάν αφαιρέσετε τη θερμότητα από αυτό (χαμηλώσετε τη θερμοκρασία του), τότε η συνολική ενέργεια μειώνεται μέχρι να φτάσει στο μηδέν, ή, σε αυτήν την περίπτωση, στους 0 βαθμούς Φαρενάιτ.

Τι συμβαίνει όταν εργάζεστε σε ένα κλειστό σύστημα;

Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής λέει ότι εάν εργάζεστε σε ένα κλειστό σύστημα, η συνολική ενέργεια του συστήματος θα αυξηθεί.

Όταν μιλάμε για «εργασία» στη φυσική, αναφερόμαστε σε μια δύναμη που ενεργεί σε ένα αντικείμενο σε απόσταση. Για παράδειγμα, μπορεί να ασκήσετε μια δύναμη σε ένα αντικείμενο και να το μετακινήσετε σε κάποια απόσταση για να το σηκώσετε ή να το μετακινήσετε από το ένα μέρος στο άλλο. Όταν το κάνετε αυτό, η συνολική ενέργεια του συστήματος αυξάνεται.

Χρήση του πρώτου νόμου της θερμοδυναμικής στην καθημερινή μου ζωή

Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής για ένα κλειστό σύστημα σχετίζεται μόνο με κλειστά συστήματα. Ωστόσο, μπορεί να σας βοηθήσει να κατανοήσετε πώς διατηρείται η ενέργεια και πώς δημιουργούνται διαφορές θερμοκρασίας μεταξύ διαφορετικών αντικειμένων στον κόσμο.

Για να εφαρμόσετε τον πρώτο θερμοδυναμικό νόμο για ένα κλειστό σύστημα στην καθημερινή σας ζωή, ας δούμε μερικά παραδείγματα. Ένα παράδειγμα είναι ότι εάν βρίσκεστε σε ένα δωμάτιο, ο αέρας μέσα θα αυξήσει την πίεση και την πυκνότητα λόγω της βαρύτητας.

Ένα άλλο παράδειγμα είναι ότι όταν γεμίζετε ένα δοχείο με νερό, η πίεση του νερού θα αυξηθεί μόλις κλείσετε το καπάκι. Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής για ένα κλειστό σύστημα μπορεί επίσης να εφαρμοστεί στη μεταφορά θερμότητας και στη θερμοδυναμική!

Δεύτερος θερμοδυναμικός νόμος για ένα κλειστό σύστημα

Ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής για ένα κλειστό σύστημα δηλώνει ότι η εντροπία ενός απομονωμένου συστήματος που δεν βρίσκεται σε ισορροπία θα τείνει να αυξάνεται με την πάροδο του χρόνου, πλησιάζοντας μια μέγιστη τιμή σε κατάσταση ισορροπίας. Η εντροπία συχνά κατανοείται ως αταξία ή χάος.

Συμπέρασμα

Ένα κλειστό σύστημα είναι ένα σύστημα που δεν ανταλλάσσει ενέργεια ή ύλη με το περιβάλλον του. Ένα κλειστό σύστημα θα συνεχίσει να αλλάζει μέχρι να φτάσει σε ισορροπία, οπότε η ενέργεια κατανέμεται ομοιόμορφα.

Σε ένα κλειστό σύστημα, όταν προσθέτετε θερμότητα σε ένα σύστημα, τα μόρια του αερίου θα κινούνται πιο γρήγορα και σε μεγαλύτερη απόσταση. Όταν εργάζεστε σε ένα κλειστό σύστημα, τα μόρια του αερίου θα κινούνται πιο γρήγορα και σε μεγαλύτερη απόσταση.

Ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής δηλώνει ότι η συνολική διαταραχή αυξάνεται πάντα σε ένα κλειστό σύστημα. Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε αυτόν τον νόμο στην καθημερινή σας ζωή, προσέχοντας τι βάζετε στο σύστημά σας:βεβαιωθείτε ότι έχετε καλή διατροφή και αρκετή άσκηση!