Первый закон термодинамики
Почему пельмени всегда варятся пять минут, а попкорн лопается при приготовлении. Вместе с экспертом разберемся в действии первого закона термодинамики, а также узнаем, как меняется его формула в изопроцессах
Первый закон термодинамики имеет не только научно-физический, но и философский смысл. Сформулируем его, а также вместе с экспертом разберемся, в каких сферах повседневной жизни он применим и для чего изучать его в школе.
Определение и формулировка первого закона термодинамики
Первый закон термодинамики, иначе называемый первым началом термодинамики – версия закона сохранения энергии, сформулированная для термодинамических систем.
Формально первое начало термодинамики звучит так: сообщенное системе количество теплоты расходуется на совершение этой системой работы против внешних сил и изменение ее внутренней энергии.
Говоря простым языком, этот первый закон термодинамики утверждает, что при воздействии на объект (например, при нагревании) происходит либо изменение его свойств (давления, температуры и прочих), либо взаимодействие с окружающей средой, либо и то, и другое одновременно. Примеры процессов, к которым применим этот закон, приведем дальше.
Полезная информация о первом законе термодинамики
| У первого закона термодинамики нет единой четкой формулировки | К. А. Путилов в своей книге «Термодинамика» привел шесть вариантов от разных авторов. |
| У первого закона термодинамики имеется философское значение | Его ярко иллюстрируют пословицы: «Без труда не вытащишь и рыбку из пруда» и «Под лежачий камень вода не течет». |
| Невозможность создания вечного двигателя объясняется первым законом термодинамики | Так как, согласно этому закону, никакая система не может произвести больше энергии, чем ей поступит извне, и тем более не может производить энергию бесконечно. |
Формула первого закона термодинамики
Общая формула первого закона термодинамики выглядит так:
Q = 𝚫U + A, где 𝚫U – изменение внутренней энергии системы, Q – количество тепла, сообщенного системе, и A – работа, которую она совершает.
𝚫U = U2 — U1, где U1 – внутренняя энергия системы до начала процесса, U2 – внутренняя энергия системы после его окончания.
При этом:
- если Q > 0 – система поглощает тепло,
- если Q < 0 – система отдает тепло,
- если Q = 0 – система изолирована, теплообмена нет.
Первый закон термодинамики в процессах
В термодинамике выделяют так называемые изопроцессы: процессы, в которых одна из макровеличин (давление, температура, объем) остается неизменной при неизменной массе. Сформулируем первый закон термодинамики для каждого из них.
Изотермический процесс
Процесс, происходящий без изменения температуры. В случае с газом или жидкостью остаются неизменными температура и объем, а значит, не меняется и внутренняя энергия, 𝚫U = 0. Тогда формула принимает такой вид:
Q = A, где Q – количество тепла, сообщенного системе, и A – работа, которую она совершает.
Тепло, сообщенное системе, полностью расходуется на работу.
Пример такого процесса – кипячение воды в открытой кастрюле. Вода будет совершать работу (переходить в газообразное состояние – пар), но температура оставшейся массы воды будет оставаться на уровне 100 градусов Цельсия. Именно поэтому производители круп, макарон и замороженных пельменей могут указывать на упаковке время варки: температура воды в кастрюле всегда одинакова, если не учитывать кипячение воды на вершине Эвереста, на борту самолета или, скажем, в затонувшем батискафе.
Изохорный процесс
Процесс, происходящий в постоянном объеме. Применительно к первому началу термодинамики: система (газ или жидкость) не расширяется и не сжимается, то есть не совершает работу. При A = 0 формула становится следующей:
Q = 𝚫U, где 𝚫U – изменение внутренней энергии системы.
Тепло, сообщенное системе, полностью расходуется на изменение ее внутренней энергии.
Пример такого процесса – варка сгущенного молока. При нагревании жидкости в герметичном сосуде (в данном случае – сгущенки в консервной банке) внутренняя энергия растет вместе с температурой: жидкость превращается в пар, и давление на стенки сосуда увеличивается. И достаточно продолжительная варка неизбежно приведет к взрыву, когда давление превысит уровень прочности банки.
это интересно
Закон Кулона
Что это такое и как применяется на практике один из фундаментальных законов физики
подробнее
Изобарный процесс
Процесс, при котором давление в системе неизменно, но температура и объем меняются, и формула остается в первоначальном виде.
Q = 𝚫U + A, где Q – количество тепла, сообщенного системе, 𝚫U – изменение ее внутренней энергии и A – работа, которую она совершает.
Пример изобарного процесса – превращение кукурузных зерен в попкорн. При нагревании зерен кукурузы их оболочка лопается, позволяя давлению оставаться неизменным, и «выпускает» увеличившуюся (системой-зерном совершается работа по увеличению объема) и нагревшуюся (изменяется внутренняя энергия) мякоть наружу. Такой опыт можно провести в домашних условиях.
Адиабатный процесс
Процесс, при котором системой не выделяется и не поглощается тепло: количество тепла Q = 0. Формула становится такой:
𝚫U = -A, где 𝚫U – изменение внутренней энергии системы, A – работа, которую она совершает.
Система совершает работу, расходуя внутреннюю энергию.
Пример такого процесса – выпускание воздуха из воздушного шарика. Такой опыт также можно провести в домашних условиях: если направить струю воздуха из шара на ладонь, можно ощутить, что он холоднее, чем воздух в комнате. Так происходит потому, что работа по расширению воздуха в шаре совершается только за счет расходования его внутренней энергии, снижения давления газа внутри шара. Тратится энергия – понижается температура.
Применение первого закона термодинамики
На первый взгляд кажется, что основные «пользователи» первого закона термодинамики – ученые-физики и инженеры, ведь этот закон не только объясняет принцип работы тепловых машин и установок, но и является методом расчета мощности этих самых машин.
Однако не только механики пользуются первым началом термодинамики: еще в конце XVIII века химик-естествоиспытатель Антуан Лавуазье и физик Пьер-Симон Лаплас проводили опыты, согласно которым переработка питательных веществ в организме морских свинок сходна по выделению тепла с непосредственным сжиганием такого же количества веществ. То есть трата энергии в спортзале не зря называется сжиганием калорий: организм использует полученную пищу, вырабатывает энергию и отдает лишнее тепло окружающей среде, сохраняя нормальную температуру в 36,6 градусов. Кстати, это получается изотермический процесс.
А в наши дни стало известно, что в среднем человек массой 80 килограммов отдает окружающей среде 1200 килокалорий энергии в сутки даже в состоянии покоя, а при активной деятельности эта цифра может значительно увеличиться. Но организмы живых существ подчиняются первому закону термодинамики: они не способны брать энергию «из ниоткуда» и вынуждены либо перерабатывать питательные вещества, поглощая пищу, либо тратить внутренние ресурсы. Именно поэтому человек не может прожить без пищи и воды: рано или поздно внутренние резервы закончатся и организму неоткуда будет брать энергию для существования.
Задачи на первый закон термодинамики с решением
Для закрепления знаний решим пару простых задач на первый закон термодинамики.
Задача 1
Сколько энергии нужно потратить, чтобы довести до кипения полный двухлитровый чайник воды, если для нагревания одного литра воды на один градус необходимо 4200 Дж энергии? Начальная температура воды в чайнике – 20 градусов Цельсия. В данной задаче допустим, что энергия будет расходоваться без потерь.
Дано:
V (объем) = 2 л (0,002 куб.м)
T1 = 20 C – начальная температура
c = 4200 Дж/кг
c = 4200 Дж/кг • C – удельная теплоемкость вещества
C – удельная теплоемкость вещества
ⲣ («ро») = 1000 кг /куб.м – плотность воды
Найти: 𝚫U-?
Решение: Нагревание воды в чайнике – изохорный процесс, вся переданная энергия тратится на нагрев, а значит, необходимая нам формула: Q = 𝚫U
Формула для количества теплоты Q=m • c • 𝚫T
𝚫T = T2 — T1 = 100 — 20 = 80 C – перепад температуры
m = p • V – масса воды
m= 2 кг
Q= 2 • 4200 • 80=672000 Дж=672 кДж
Ответ: Q= 672 кДж
Задача 2
В ходе эксперимента газу, находящемуся в емкости, закрытой свободно движущимся поршнем, сообщили 300 кДж тепловой энергии. Какую работу совершил при этом газ, если его внутренняя энергия изменилась на 60 кДж?
Решение: Из условия задачи о том, что емкость закрыта свободно движущимся поршнем, можно сделать вывод о том, что процесс – изобарный: поршень позволит газу свободно увеличиваться в объеме, сохраняя давление на прежнем уровне.
Для изобарного процесса справедлива базовая формула первого закона термодинамики: Q = 𝚫U + A.
Отсюда A = 300 – 60 = 240 кДж
Ответ: газ совершил 240 кДж работы.
5 тем по физике, которые забываются сразу после школы
Предлагаем вспомнить знакомые и важные темы из школьного курса физики.
- Закон Паскаля и его формула простыми словами
- Что такое диффузия
- Сколько существует видов механического движения
- Как работает теплопроводность
- Определение мощности простыми словами
Популярные вопросы и ответы
Отвечает Юлия Крутова, учитель физики средней общеобразовательной школы №16 (Московская область, Орехово-Зуевский городской округ):
В чем заключается всеобщность характера первого закона термодинамики?
Всеобщность характера первого закона термодинамики заключается в законах сохранения и превращении энергии на Земле. Термодинамические процессы окружают нас всюду, не только ученых.
Пригодится ли знание первого закона термодинамики на ЕГЭ?
На ЕГЭ 5-9 заданий выделяется на молекулярную физику. Это задания первой части с кратким ответом, плюс задания второй части: в варианте может оказаться качественная задача и расчетная задача. Поэтому данному разделу физики на уроках уделяется особое внимание.
Почему в 10 классе на физике изучают первый закон термодинамики?
Для более подробного изучения первого и второго законов термодинамики необходима математическая база и основные знания, полученные на уроках химии, поэтому изучение молекулярной физики и термодинамики начинается в 10 классе, и уделяется этому разделу практически триместр.
