první zákon termodynamiky uvádí, že teplo je formou energie, a termodynamické procesy proto podléhají principu zachování energie. To znamená, že tepelná energie nemůže být vytvořena nebo zničena. Může však být převeden z jednoho místa na druhé a přeměněn na jiné formy energie az nich.

Termodynamika je obor fyziky, který se zabývá vztahy mezi teplem a jinými formami energie., Zejména popisuje, jak je tepelná energie přeměněna na jiné formy energie a jak ovlivňuje hmotu. Základní principy termodynamiky jsou vyjádřeny ve čtyřech zákonech.

„První Zákon říká, že vnitřní energie systému musí být rovna práci, kterou se provádí na systému, plus nebo minus teplo, které proudí do nebo ze systému a jiné práce, které je provedeno v systému,“ řekl Saibal Mitra, profesor fyziky na Missouri State University. „Takže je to obnovení zachování energie.,“

Mitra pokračoval: „změna vnitřní energie soustavy je součet všech energetických vstupů a výstupů do a ze systému podobně jak všechny vklady a výběry provedete určit změny v vaše bankovní konto.“To je vyjádřeno matematicky jako: ΔU = Q – W, kde ΔU je změna vnitřní energie, Q je teplo přidané do systému, W je práce vykonaná systémem.,

Historie

Vědci v pozdním 18. a raném 19. století dodržovat kalorický teorie, poprvé navrhl Antoine Lavoisier v roce 1783, a dále podpořen práce Sadi Carnot v roce 1824, podle Americké Fyzikální Společnosti. Kalorická teorie zpracovala teplo jako druh tekutiny, která přirozeně tekla z horkých do chladných oblastí, stejně jako voda proudí z vysokých na nízká místa. Když tato kalorická tekutina proudila z horké do studené oblasti, mohla by být přeměněna na kinetickou energii a vyrobena tak, aby fungovala stejně jako padající voda mohla řídit vodní kolo., Teprve Rudolph Clausius publikoval „mechanickou teorii tepla“ v roce 1879, že kalorická teorie byla nakonec odložena.

termodynamické systémy

energie lze podle Davida Mckeeho, profesora fyziky na Missouri Southern State University, rozdělit na dvě části. Jedním z nich je náš makroskopický příspěvek v lidském měřítku, jako je pohyb pístu a tlačení systému plynu. Naopak, věci se dějí ve velmi malém měřítku, kde nemůžeme sledovat jednotlivé příspěvky.,

McKee vysvětluje, „Když jsem dal dva vzorky kovu proti sobě, a atomy jsou chrastící kolem na hranici, a dva atomy narážejí jedna do druhé, a jeden z přijde rychleji, než ostatní, nemůžu sledovat to. Stává se to ve velmi malém časovém měřítku a velmi malé vzdálenosti, a to se stává mnohokrát, mnohokrát za sekundu. Takže veškerý přenos energie rozdělíme do dvou skupin: na věci, které budeme sledovat, a na věci, které nebudeme sledovat. Druhá z nich je to, čemu říkáme teplo.,“termodynamické systémy

jsou obecně považovány za otevřené, uzavřené nebo izolované. Podle University of California, Davis, otevřený systém volně výměny energie a hmoty s okolím; uzavřený systém vyměňuje energii, ale ne hmotu s okolím; a ojedinělý systém neumožňuje výměnu energie či hmoty s okolím. Například hrnec vroucí polévky přijímá energii ze sporáku, vyzařuje teplo z pánve a vydává hmotu ve formě páry, která také odvádí tepelnou energii. To by byl otevřený systém., Pokud bychom na hrnec položili těsné víko, stále by vyzařovala tepelnou energii, ale již by nevypouštěla hmotu ve formě páry. To by byl uzavřený systém. Nicméně, pokud bychom chtěli polévku nalijeme do dokonale izolované termosky láhev a utěsnění víka, tam by byla žádná energie nebo hmota jít do nebo ze systému. To by byl izolovaný systém.

v praxi však dokonale izolované systémy nemohou existovat. Všechny systémy přenášejí energii do svého prostředí zářením bez ohledu na to, jak dobře jsou izolovány., Polévka v termosku zůstane horká jen několik hodin a do následujícího dne dosáhne pokojové teploty. V jiném příkladu, bílý trpaslík hvězdy, horké zbytky spálené-out hvězdy, které se již vyrábět energii, mohou být izolovány pomocí světelných let téměř dokonalé vakuum v mezihvězdném prostoru, ale oni budou nakonec v pohodě dolů od několika desítek tisíc stupňů, aby se v blízkosti absolutní nuly v důsledku ztráty energie prostřednictvím záření. Přestože tento proces trvá déle než současný věk vesmíru, není to zastavení.,

tepelné motory

nejběžnější praktickou aplikací prvního zákona je tepelný motor. Tepelné motory přeměňují tepelnou energii na mechanickou energii a naopak. Většina tepelných motorů spadá do kategorie otevřených systémů. Základní princip tepelného motoru využívá vztahy mezi teplem, objemem a tlakem pracovní tekutiny. Tato tekutina je obvykle plyn, ale v některých případech může projít fázovými změnami z plynu na kapalinu a zpět na plyn během cyklu.

když se plyn zahřívá, rozšiřuje se; nicméně, když je tento plyn omezen, zvyšuje se tlak., Pokud je spodní stěna uzavírací komory horní část pohyblivého pístu, působí tento tlak na povrch pístu, což způsobuje, že se pohybuje dolů. Tento pohyb pak může být využit k práci rovnající se celkové síle působící na horní část pístu, což je vzdálenost, kterou se píst pohybuje.

na základním tepelném motoru existuje mnoho variací. Parní stroje se například spoléhají na vnější spalování, aby ohřívaly nádrž kotle obsahující pracovní tekutinu, typicky vodu., Voda je přeměněna na páru a tlak se pak používá k pohonu pístu, který přeměňuje tepelnou energii na mechanickou energii. Automobilové motory, nicméně, používat spalovací, kde kapalné palivo se odpařuje, ve směsi se vzduchem a zapálí uvnitř válce nad pohyblivý píst jízdě směrem dolů.

Ledničky, klimatizační zařízení a tepelná čerpadla

Chladničky a tepelná čerpadla jsou tepelné stroje, které přeměňují mechanickou energii na teplo. Většina z nich spadá do kategorie uzavřených systémů. Když je plyn stlačen, jeho teplota se zvyšuje., Tento horký plyn pak může přenášet teplo do okolního prostředí. Poté, když je stlačený plyn povolen expandovat, jeho teplota se stává chladnější, než tomu bylo předtím, než byl stlačen, protože část jeho tepelné energie byla odstraněna během horkého cyklu. Tento studený plyn pak může absorbovat tepelnou energii ze svého prostředí. To je pracovní princip za klimatizací. Klimatizační jednotky ve skutečnosti nevytvářejí chlad; odstraňují teplo. Pracovní tekutina je přenášena venku mechanickým čerpadlem, kde je ohřívána kompresí., Dále přenáší toto teplo do venkovního prostředí, obvykle prostřednictvím vzduchem chlazeného výměníku tepla. Poté je přiveden zpět do interiéru, kde je dovoleno expandovat a ochladit, aby mohl absorbovat teplo z vnitřního vzduchu jiným výměníkem tepla.

tepelné čerpadlo je prostě klimatizace běží v opačném směru. Teplo ze stlačené pracovní tekutiny se používá k ohřevu budovy. To je pak převedena venku, kde expanduje a stane se zima, což je absorbovat teplo z venkovního vzduchu, které i v zimě je obvykle teplejší než studené pracovní látky.,

Geotermální nebo mleté-zdroj, klimatizace a tepelné čerpadlo systémy používají dlouhou U-tvaru trubky v hlubokých studní nebo pole horizontální trubky pohřben ve velkém prostoru, jehož prostřednictvím pracovní kapalina cirkuluje, a teplo se přenáší do nebo ze země. Jiné systémy používají řeky nebo oceánskou vodu k ohřevu nebo chlazení pracovní tekutiny.