Hukum Pertama Rumus Termodinamika, Persamaan, Contoh

Itu Hukum Termodinamika Pertama menyatakan bahwa setiap perubahan yang dialami oleh energi suatu sistem berasal dari pekerjaan mekanis yang dilakukan, ditambah panas yang dipertukarkan dengan lingkungan. Apakah mereka sedang istirahat atau bergerak, objek (sistem) memiliki energi yang beragam, yang dapat diubah dari satu kelas ke kelas lainnya melalui beberapa jenis proses.

Jika suatu sistem berada di keheningan laboratorium dan energi mekaniknya adalah 0, ia masih memiliki energi internal, karena partikel -partikel yang menyusunnya terus -menerus mengalami gerakan acak.

Gambar 1. Mesin pembakaran internal memanfaatkan hukum termodinamika pertama untuk menghasilkan pekerjaan. Sumber: Pixabay.

Pergerakan acak partikel, bersama dengan interaksi listrik dan dalam beberapa kasus nuklir.

Ada beberapa cara untuk membuat perubahan ini terjadi:

- Yang pertama adalah bahwa sistem menukar panas dengan lingkungan. Ini terjadi ketika ada perbedaan suhu antara keduanya. Kemudian yang terpanas menghasilkan panas - cara mentransfer energi - ke yang terdingin, sampai kedua suhu disamakan, mencapai keseimbangan termal.

- Dengan melakukan pekerjaan, apakah sistem dilakukan, atau bahwa agen eksternal melakukannya di sistem.

- Menambahkan massa ke sistem (massa sama dengan energi).

Biarkan u energi internal, keseimbangan akan ΔU = u final - u inisial, jadi lebih mudah untuk menetapkan tanda -tanda, yang menurut kriteria IUPAC (Persatuan Internasional Kimia Murni dan Terapan) adalah:

- Q dan W positif (+), ketika sistem menerima panas dan pekerjaan dilakukan di atasnya (energi ditransfer).

- Q dan W negatif (-), jika sistem memberikan panas dan bekerja pada lingkungan (energi berkurang).

[TOC]

Rumus dan Persamaan

Hukum termodinamika pertama adalah cara lain untuk menegaskan bahwa energi tidak diciptakan atau dihancurkan, tetapi diubah dari satu jenis ke jenis lain. Dengan melakukannya, panas dan pekerjaan akan terjadi, yang dapat digunakan. Secara matematis mengungkapkan sebagai berikut:

ΔU = q + w

Di mana:

- ΔU adalah perubahan energi sistem yang diberikan oleh: ΔU = energi akhir - energi awal = u_F - ATAU_{salah satu}

- Q adalah pertukaran panas antara sistem dan lingkungan.

- W adalah pekerjaan yang dilakukan pada sistem.

Dalam beberapa teks, hukum termodinamika pertama disajikan seperti ini:

ΔU = q - w

Ini tidak berarti bahwa ada kesalahan atau ada kesalahan. Ini karena fakta bahwa pekerjaan W didefinisikan sebagai pekerjaan yang dilakukan oleh sistem alih -alih menggunakan pekerjaan yang dilakukan pada sistem, seperti dalam pendekatan IUPAC.

Dengan kriteria ini, hukum termodinamika pertama dinyatakan dengan cara ini:

Ketika sejumlah panas ditransfer ke tubuh dan ini pada gilirannya melakukan beberapa pekerjaan, perubahan energi internalnya diberikan oleh δU = q - w.

Konsisten dengan pilihan tanda, dan memperhitungkan bahwa:

Dapat melayani Anda: pers hidrolik

W _{Dibuat Tentang Sistem} = - w _{dibuat oleh sistem}

Kedua kriteria akan memberikan hasil yang benar.

Pengamatan penting tentang hukum termodinamika pertama

Baik panas dan pekerjaan adalah dua cara untuk mentransfer energi antara sistem dan lingkungannya. Semua jumlah yang terlibat memiliki unit dalam sistem internasional Juli atau Joule, disingkat J.

Hukum termodinamika pertama menawarkan informasi tentang perubahan energi, bukan nilai absolut dari energi akhir atau awal. Bahkan beberapa dari mereka dapat diambil sebagai 0, karena yang diperhitungkan adalah perbedaan nilai.

Kesimpulan penting lainnya adalah bahwa setiap sistem yang terisolasi memiliki ΔU = 0, karena tidak dapat bertukar panas dengan lingkungan, dan tidak ada agen eksternal yang diizinkan untuk bekerja di atasnya, maka energi tetap konstan. Termos untuk menjaga kopi tetap panas adalah pendekatan yang masuk akal.

Jadi dalam sistem ΔU yang tidak terisolasi selalu berbeda dari 0? Belum tentu, ΔU bisa 0 jika variabelnya, yang biasanya tekanan, suhu, volume dan jumlah tahi lalat, melewati siklus di mana nilai awal dan akhir mereka sama.

Dalam siklus Carnot misalnya, semua energi termal menjadi pekerjaan yang dapat digunakan, karena tidak merenungkan kerugian karena gesekan atau viskositas.

Adapun kamu, energi misterius sistem, dia termasuk:

- Energi kinetik partikel saat bergerak dan yang berasal dari getaran dan rotasi atom dan molekul.

- Energi potensial karena interaksi listrik antara atom dan molekul.

- Interaksi nukleus atom, seperti di bagian dalam matahari.

Aplikasi

Undang -undang pertama menetapkan bahwa dimungkinkan untuk menghasilkan panas dan bekerja dengan membuat energi internal suatu perubahan sistem. Salah satu aplikasi yang paling sukses adalah mesin pembakaran internal, di mana volume gas tertentu diambil dan perluasannya digunakan untuk melakukan pekerjaan. Aplikasi lain yang diketahui adalah mesin uap.

Motor biasanya menggunakan siklus atau proses di mana sistem dimulai dari keseimbangan awal keseimbangan ke keadaan akhir lainnya, juga keseimbangan. Banyak dari mereka terjadi dalam kondisi yang memfasilitasi perhitungan pekerjaan dan panas dari hukum pertama.

Selanjutnya kami menyajikan model sederhana yang menggambarkan situasi yang sering dan sehari -hari. Proses yang paling ilustratif adalah proses adiabatik, isokorik, isotermal, isotermal, proses lintasan tertutup dan ekspansi gratis. Di dalamnya variabel sistem konstan dan akibatnya undang -undang pertama mengadopsi bentuk tertentu.

Proses isocoric

Adalah mereka di mana volume sistem tetap konstan. Oleh karena itu, pekerjaan tidak dilakukan dan menjadi w = 0 tetap:

ΔU = q

Proses Isobárico

Dalam proses ini tekanan tetap konstan. Pekerjaan yang dilakukan oleh sistem ini karena perubahan volume.

Dapat melayani Anda: resistance thermometer: karakteristik, operasi, penggunaan

Misalkan gas terbatas dalam wadah. Karena pekerjaan W didefinisikan sebagai:

W = force x perpindahan = f.Δl (berlaku untuk gaya konstan yang paralel dengan perpindahan).

Dan pada gilirannya tekanannya adalah:

P = f /a ⇒ f = p.KE

Dengan mengganti kekuatan ini dalam ekspresi pekerjaan, hasilnya:

W = p. KE. Δl

Tetapi produknya KE. Δl Ini setara dengan perubahan volume ΔV, meninggalkan pekerjaan seperti ini:

W = p ΔV.

Untuk proses isobarik, undang -undang pertama mengadopsi formulir:

ΔU = q - p ΔV

Proses isotermal

Mereka adalah orang -orang yang lewat pada suhu konstan. Ini dapat terjadi dengan menempatkan sistem dengan tangki termal eksternal dan melakukan pertukaran panas dilakukan dengan sangat lambat, sehingga suhunya konstan.

Misalnya, panas dapat mengalir dari tangki panas ke sistem, memungkinkan sistem untuk melakukan pekerjaan, tanpa variasi dalam ΔU. Jadi:

Q + w = ​​0

Proses adiabatik

Dalam proses adiabatik tidak ada transfer energi termal, oleh karena itu q = 0 dan hukum pertama dikurangi menjadi ΔU = w. Situasi ini dapat diberikan dalam sistem yang terisolasi dengan baik dan berarti bahwa perubahan energi berasal dari pekerjaan yang telah dilakukan di atasnya, menurut konvensi tanda -tanda saat ini (IUPAC).

Bisa dianggap bahwa karena tidak ada transfer energi termal, suhunya akan tetap konstan, tetapi tidak selalu demikian. Yang mengejutkan, kompresi gas yang terisolasi menghasilkan peningkatan suhunya, sedangkan dalam ekspansi adiabatik suhu berkurang.

Proses lintasan tertutup dan ekspansi gratis

Di sebuah Proses lintasan tertutup, Sistem kembali ke keadaan yang sama di awal, terlepas dari apa yang terjadi di titik perantara. Proses -proses ini disebutkan di atas saat berbicara tentang sistem yang tidak terisolasi.

Di dalamnya ΔU = 0 dan karena itu q = w atau q = -w sesuai dengan kriteria tanda -tanda yang diadopsi.

Proses lintasan tertutup sangat penting karena merupakan fondasi mesin termal seperti mesin uap.

Akhirnya, Ekspansi gratis Ini adalah idealisasi yang dilakukan dalam wadah terisolasi termal yang mengandung gas. Wadah memiliki dua kompartemen yang dipisahkan oleh partisi atau membran dan gas ada di salah satunya.

Volume wadah tiba -tiba meningkat jika selaputnya rusak dan gas mengembang, tetapi wadah tidak mengandung piston atau objek lain untuk dipindahkan. Maka gas tidak berfungsi saat berkembang dan w = 0. Karena terisolasi termal Q = 0 dan segera disimpulkan bahwa ΔU = 0.

Oleh karena itu, ekspansi bebas tidak menyebabkan perubahan energi gas, tetapi secara paradoks saat berkembang tidak seimbang.

Contoh

- Proses isokorik yang khas adalah pemanasan gas dalam wadah hermetis dan kaku, misalnya pot tekanan tanpa katup buang. Dengan cara ini, volumenya tetap konstan dan jika kita melakukan kontak seperti itu dengan badan lain, energi internal gas hanya berubah berkat perpindahan panas karena kontak ini.

Dapat melayani Anda: Ceded Heat: Formula, Cara Menghitung dan Menyelesaikan Latihan

- Mesin termal melakukan siklus di mana mereka mengambil panas dari deposit termal, membuat hampir semuanya menjadi pekerjaan, meninggalkan bagian untuk operasi mereka sendiri dan kelebihan panas menuangkannya ke tangki dingin lain, yang biasanya merupakan lingkungan.

- Mempersiapkan saus dalam pot yang tidak tertutup adalah contoh harian dari proses isobarik, karena memasak dilakukan pada tekanan atmosfer dan volume salsa berkurang dari waktu ke waktu sambil menguapkan cairan.

- Gas ideal di mana proses isotermal berlangsung mempertahankan produk dari tekanan dengan konstanta volume: P. V = konstan.

- Metabolisme hewan berdarah panas memungkinkan mereka mempertahankan suhu yang konstan dan melakukan beberapa proses biologis, dengan mengorbankan energi yang terkandung dalam makanan.

Gambar 2. Atlet, seperti mesin termal, menggunakan bahan bakar untuk melakukan pekerjaan dan kelebihannya hilang karena keringat. Sumber: Pixabay.

Latihan terpecahkan

Latihan 1

Gas dikompresi pada tekanan konstan 0.800 atm, sehingga volumenya bervariasi dari 9.00 L A 2.00 l. Dalam prosesnya, gas menghasilkan 400 J energi panas. a) Temukan pekerjaan yang dilakukan pada gas dan b) Hitung perubahan energi internalnya.

Solusi untuk)

Dalam proses adiabatik itu dipenuhi P_{salah satu} = P_F, Pekerjaan yang dilakukan pada gas adalah W = p. ΔV, Seperti yang dijelaskan di bagian sebelumnya.

Faktor konversi berikut diperlukan:

1 atm = 101.325 kPa = 101.325 pa.

1 l = 0.001 m³

Karena itu: 0.8 atm = 81.060 pa dan δV = 9 - 2 L = 7 L = 0.007 m³

Mengganti nilai diperoleh:

W = 81060 pa x 0.007 m³ = 567.42 J

Solusi b)

Saat sistem memberi panas, untuk Q Ditugaskan tanda -Oleh karena itu, hukum termodinamika pertama tetap dengan cara ini:

ΔU = -400 j + 567.42 j = 167.42 J.

Latihan 2

Diketahui bahwa energi internal gas adalah 500 J dan ketika volumenya dikompres secara adiabatik dalam 100 cm³. Jika tekanan yang diterapkan pada gas selama kompresi adalah 3.00 atm, hitung energi internal gas setelah kompresi adiabatik.

Larutan

Karena pernyataan itu menginformasikan bahwa kompresi adalah adiabatik, itu terpenuhi Q = 0 Dan ΔU = w, Jadi:

ΔU = w = u _terakhir - ATAU _awal

Dengan u inisial = 500 j.

Menurut data ΔV = 100 cm³ = 100 x 10^-6 M³ Dan 3 atm = 303975 pa, Karena itu:

W = p . ΔV = 303975 pa x 100 x 10^-6 M³ = 30.4 J

ATAU _terakhir - ATAU _awal = 30.4 J

ATAU _terakhir = U _awal + 30.4 J = 500 J + 30.4 j = 530.4 J.

Referensi

1. Bauer, w. 2011. Fisika untuk Teknik dan Ilmu Pengetahuan. Volume 1. MC Graw Hill.
2. Cengel, dan. 2012. Termodinamika. 7^ma Edisi. Bukit McGraw.
3. Figueroa, d. (2005). Seri: Fisika untuk Sains dan Teknik. Volume 4. Cairan dan termodinamika. Diedit oleh Douglas Figueroa (USB).
4. López, c. Hukum Termodinamika Pertama. Dipulihkan dari: CulturAcientifica.com.
5. Knight, r. 2017. Fisika untuk Ilmuwan dan Teknik: Pendekatan Strategi. Pearson.
6. Serway, r., Vulle, c. 2011. Dasar -dasar fisika. 9^na Ed. Pembelajaran Cengage.
7. Universitas Sevilla. Mesin termal. Pulih dari: Laplace.kita.adalah.
8. Wikiwand. Proses adiabatik. Pulih dari: wikiwand.com.