Pierwsza zasada termodynamiki – Leszek Bober. Fizyka z pasja!

W tym artykule znajdziesz najważniejsze informacje o pierwszej zasadzie termodynamiki: jej definicję, wzór na pierwszą zasadę termodynamiki oraz przykłady i zadania.

Pocierając o siebie zgrabiałe ręce lub zbliżając je do grzejnika lub ogniska – rozgrzewamy je, wykonując pracę lub absorbując ciepło. Pierwsza zasada termodynamiki to jedno z podstawowych praw termodynamiki, które głosi, że energię wewnętrzną ciała można zmienić jedynie dzięki oddziaływaniu z otoczeniem – przez wykonanie pracy lub przekazanie ciepła.

1. Definicja

Definicja pierwszej zasady termodynamiki: Energię wewnętrzną możemy zmienić przez wykonanie nad ciałem pracy lub przekazanie ciepła.

Co wynika z pierwszej zasady dynamiki?

W układzie zamkniętym energia “nie ginie” i nie powstaje, może tylko zmieniać się z jednej postaci w drugą (pierwsza zasada termodynamiki jest sformułowaniem zasady zachowania energii)
Nie jest możliwe zbudowanie maszyny, która mogłaby pracować ciągle bez pobierania energii z zewnątrz (tzw. perpetuum mobile)
Praca i ciepło (cieplny przepływ energii) są równoważnymi sposobami przekazywania energii i są wyrażane w tych samych jednostkach (1 dżul). Uwaga: układ sam nie posiada pracy i ciepła – to sposoby przekazywanie energii
Energia układu zamkniętego, który nie wymienia ciepła i nie wykonuje pracy (ani nie jest nad nim wykonywana praca) nie zmienia się

Praca wykonana przy sprężeniu gazu w tłoku oraz przekazane ciepło zwiększają energię wewnętrzną gazu – jego cząsteczki poruszają się z większą prędkością.

2. Wzór

Pierwszą zasadę termodynamiki możemy zapisać wzorem: ΔE_w = W + Q. Zmiana energii wewnętrznej ciała ΔE_w jest równa sumie pracy W wykonanej nad tym ciałem oraz dostarczonego mu ciepła Q.

ΔE_w = W + Q

ΔE_w – zmiana energii wewnętrznej
W – praca wykonana nad ciałem
Q – ciepło dostarczone do ciała (cieplny przepływ energii)

Jednostką pracy i energii w układzie SI jest 1 dżul [J].

UWAGA: niekiedy możemy napotkać alternatywną wersję wzoru na zmianę energii wewnętrznej ΔE_w = Q – W. W tym wypadku W oznacza prace wykonaną przez ciało (a nie nad ciałem) i dlatego posiada znak ujemny.

Zadanie:

Żelazko podczas prasowania dostarczyło tkaninie energii 10 J w wyniku tarcia oraz rozgrzało tkaninę energią 300 J. Jak zmieniła się energia wewnętrzna tkaniny?

Rozwiązanie:

W = 10 J
Q = 300 J
ΔE_w = ?

ΔE_w = W + Q
ΔE_w = 10 J + 300 J = 310 J

Zauważmy, że jest to wartość dodania a więc energia wewnętrzna wzrosła.

Odpowiedź: Energia wewnętrzna tkaniny wzrosła o 310 J.

Rozszerzony wzór na pierwszą zasadę termodynamiki uwzględniający energię kinetyczną i potencjalna ciała to: ΔE_p + ΔE_k + ΔE_w = W + Q.

3. Przykłady

Przykłady pierwszej zasady termodynamiki:

Pocierając o siebie ręce w zimny dzień wykonujemy pracę przez co zwiększamy ich energię wewnętrzną i temperaturę
Podgrzewając zupę dostarczamy jej ciepło co zwiększa jej energię wewnętrzną i temperaturę
Dodanie kostek lodu do napoju spowoduje przepływ ciepła z napoju do kostek (ciepło zawsze przepływa z cieplejszego ciała do zimniejszego) zmniejszając energię wewnętrzną oryginalnej części napoju i jego temperaturę (uwaga: kostki “powiększą” ilość cząsteczek napoju a energia wewnętrzna zależy nie tylko od temperatury ale także od ilości cząsteczek)
Pompując szybko oponę za pomocą pompki do roweru (wykonując pracę) możemy zaobserwować, że pompka się nagrzewa – jej energia wewnętrzna rośnie
Lodówki, klimatyzatory oraz pompy cieplne zamieniają energię mechaniczną na ciepło wykorzystując fakt, że sprężanie gazu (przez wykonanie pracy) powoduje wzrost jego temperatury (i energii wewnętrznej) a rozprężanie spadek temperatury.

Zadanie:

W których sytuacjach opisanych poniżej energia wewnętrzna zmieniła się w wyniku przypływu ciepła a w których w wyniku wykonania pracy:

Deska rozgrzała się podczas pocierania jej papierem ściernym
Kowal rozgrzał metalowy element uderzając w niego młotem
Zdejmując sweter poczuliśmy ciepło na plecach
Podchodząc do kaloryfera poczuliśmy ciepło
Pompując oponę rozgrzewamy pompkę

Rozwiązanie: W sytuacjach 1, 2, 5 energia wewnętrzna zmieniła się w wyniku wykonania pracy. W sytuacjach 3, 4 energia wewnętrzna zmieniła się w wyniku przepływu ciepła.

PRZYDATNY ARTYKUŁ? Udostępnij link innym:

Dodaj do Google Classroom

Następny temat:
Przewodnictwo cieplne