Den Første Loven om Termodynamikk sier at varme er en form for energi, og termodynamiske prosesser er derfor underlagt prinsippet om bevaring av energi. Dette betyr at varme energi kan ikke skapes eller ødelegges. Det kan imidlertid overføres fra ett sted til et annet og konvertert til og fra andre former for energi.

Termodynamikk er den grenen av fysikken som omhandler relasjoner mellom varme og andre former for energi., Spesielt, den beskriver hvordan termisk energi er omdannet til og fra andre former for energi og hvordan det påvirker saken. De grunnleggende prinsippene i termodynamikk er uttrykt i fire lover.

«Den Første Loven sier at den indre energien til et system har til å være lik det arbeidet som blir utført på systemet, pluss eller minus varmen som strømmer inn eller ut av systemet og annet arbeid som er gjort på systemet,» sa Saibal Mitra, som er professor i fysikk ved Missouri State University. «Så, det er en omarbeiding av bevaring av energi.,»

Mitra fortsatte, «endringen i indre energi i et system er summen av all energi innganger og utganger til og fra systemet på samme måte til hvordan alle innskudd og uttak gjør du bestemme endringer i banken din saldo.»Dette uttrykkes matematisk som: ΔU = Q – W, der ΔU er endringen i indre energi, Q er varmen lagt inn i systemet, og W er arbeidet gjort av systemet.,

Logg på

Forskere i slutten av det 18. og begynnelsen av det 19. århundre følges kalori teori, først foreslått av Antoine Lavoisier i 1783, og ytterligere styrket av arbeidet med Sadi Carnot i 1824, i henhold til American Physical Society. Kalori teori behandlet varme som en slags væske som naturlig strømmet fra varme til kalde områder, mye som vannet renner fra høye til lave steder. Når dette kalori væske strømmet fra en varm til en kald regionen, det kan bli omgjort til kinetisk energi, og laget for å gjøre arbeidet mye som faller vann kunne drive et vannhjul., Det var ikke før Rudolf Clausius publisert «Mekanisk Teori for Varme» i 1879 at kalori-teorien ble til slutt satt til hvile.

Termodynamiske systemer

Energi kan deles inn i to deler, i henhold til David McKee, en professor i fysikk i det Sørlige Missouri State University. Én er vår menneskelige skala makroskopiske bidrag, slik som a stempelet beveger seg og presser på et system av gass. Derimot skjer det ting på en veldig liten skala, hvor vi kan ikke holde styr på den enkeltes bidrag.,

McKee forklarer, «Når jeg legger to prøver av metall opp mot hverandre, og atomene er rallende rundt på grensen, og to atomer sprette inn i hverandre, og en av de kommer ut raskere enn den andre, jeg kan ikke holde styr på den. Det skjer i veldig liten tid skala og en veldig liten avstand, og det skjer mange, mange ganger per sekund. Så, vi må bare dele alle energioverføring i to grupper: de tingene vi kommer til å holde styr på, og ting vi ikke kommer til å holde styr på. Den siste av disse er det vi kaller varme.,»

Termodynamiske systemer er generelt ansett for å være åpne, lukkede eller isolert. I henhold til University of California, Davis, et åpent system, fritt utveksling energi og materie med sine omgivelser; et lukket system utveksling energi, men ingen rolle med sine omgivelser, og en isolert system ikke exchange energi eller materie med sine omgivelser. For eksempel, en gryte med kokende suppe mottar energi fra komfyren, utstråler varme fra kjelen, og avgir saken i form av damp, som også bærer bort varme energi. Dette ville være et åpent system., Hvis vi legger et tett lokk på gryten, ville det likevel utstråler varme energi, men det ville ikke lenger avgir saken i form av damp. Dette ville være et lukket system. Imidlertid, hvis vi skulle hell suppen i en perfekt isolert termos flaske og forsegle lokket, ville det ikke være noe energi eller materie å gå inn i eller ut av systemet. Dette ville være et isolert system.

I praksis, derimot, er perfekt isolert system ikke kan eksistere. Alle systemer for overføring av energi til sitt miljø gjennom stråling uansett hvor godt isolert de er., Suppe på termos vil bare bo varmt for et par timer, og vil nå romtemperatur ved den følgende dag. I et annet eksempel, hvit dverg stjerner, varme rester av brente stjerner som ikke lenger kan produsere energi, kan være isolert ved lys-års nær perfekt vakuum i det interstellare rom, men de vil til slutt kjøle ned fra flere titusener av grader til i nærheten absolutt null på grunn av varmetap gjennom stråling. Selv om denne prosessen tar lengre tid enn den nåværende alder av universet, det er ingen å stoppe det.,

Varme motorer

Den mest vanlige praktisk anvendelse av den Første Loven som er den varme motoren. Varme motorer konvertere termisk energi til mekanisk energi og vice versa. De fleste varme motorer faller inn i kategorien av åpne systemer. Det grunnleggende prinsippet om en varme motoren utnytter relasjoner mellom varme, volum og trykk av en arbeidsgruppe som væske. Denne væsken er vanligvis en gass, men i noen tilfeller kan det gjennomgå en fase endringer fra gass til væske og tilbake til en gass i løpet av en syklus.

Når gass er oppvarmet, det utvider seg, men ved at gass er begrenset, øker den i press., Hvis bunnen av veggen i fangenskap kammeret er toppen av et bevegelig stempel, dette trykket utøver en kraft på overflaten av stempel forårsaker den til å bevege seg nedover. Denne bevegelsen kan deretter bli brukt til å utføre arbeid som er lik den totale kraften brukes til toppen av stempelet ganger avstanden som stempelet beveger seg.

Det er mange varianter på de grunnleggende varme motoren. For eksempel, dampmaskiner stole på eksterne forbrenning for å varme en kjele tank som inneholder arbeider væske, vanligvis vann., Vannet omdannes til damp, og trykk deretter brukes til å drive et stempel som konverterer varme energi til mekanisk energi. Bilmotorer, men bruk av forbrenningsmotor, hvor flytende drivstoff er fordampet, blandet med luft og antent inne i en sylinder over et bevegelig stempel kjører nedover.

Kjøleskap, air condition og varmepumper

Kjøle-og varmepumper er varme motorer som omdanner mekanisk energi til varme. De fleste av disse faller inn i kategorien av lukkede systemer. Når en gass som komprimeres, temperatur øker., Dette hot gass kan deretter overføre varme til omgivelsene. Deretter, når den komprimerte gassen er lov til å utvide, temperatur blir kaldere enn det var før den ble komprimert fordi noen av sine varme energi ble fjernet i løpet av de varme syklus. Denne kalde gass deretter kan absorbere varme energi fra omgivelsene. Dette er fungerende rektor bak en air conditioner. Air conditioners ikke produserer faktisk kaldt; de fjerner varme. De arbeider væske er overført utendørs ved en mekanisk pumpe hvor det er oppvarmet av komprimering., Neste, overfører denne varmen til det ytre miljø, vanligvis gjennom en luftkjølt varmeveksler. Så, det er brakt tilbake innendørs, der det er lov til å utvide og kjølig slik at den kan absorbere varmen fra luften i rommet gjennom en varmeveksler.

En varmepumpe er rett og slett en air conditioner kjøre i revers. Varmen fra den komprimerte arbeider væske som brukes til å varme opp bygningen. Det er deretter overført utenfor der det utvider seg og blir kaldt, og dermed til å absorbere varme fra uteluft, som selv om vinteren er vanligvis varmere enn den kalde jobbe væske.,

Geotermisk eller jord-kilde aircondition og varmepumpe systemer bruker lang U-formet rør i dype brønner, eller en rekke horisontale rør nedgravd i et stort område som arbeider væske som sirkulerer, og varmen overføres til eller fra jorden. I andre systemer brukes elver eller hav vann til å varme opp eller kjøle arbeider væske.