pierwsze prawo termodynamiki mówi, że ciepło jest formą energii, a zatem procesy termodynamiczne podlegają zasadzie zachowania energii. Oznacza to, że energii cieplnej nie można wytworzyć ani zniszczyć. Może jednak być przenoszona z jednego miejsca do drugiego i przekształcana w i z innych form energii.

Termodynamika jest gałęzią fizyki, która zajmuje się relacjami między ciepłem a innymi formami energii., W szczególności opisuje, w jaki sposób energia cieplna jest przekształcana do i z innych form energii oraz jak wpływa na materię. Podstawowe zasady termodynamiki wyrażone są w czterech prawach.

„pierwsze prawo mówi, że energia wewnętrzna systemu musi być równa pracy, która jest wykonywana w systemie, plus lub minus ciepło, które przepływa lub z systemu i każda inna praca, która jest wykonywana w systemie,” powiedział Saibal Mitra, profesor fizyki na Missouri State University. „Jest to więc przywrócenie zachowania energii.,”

Mitra kontynuowała: „zmiana energii wewnętrznej systemu jest sumą wszystkich wejść i wyjść energii do i z systemu, podobnie jak wszystkie wpłaty i wypłaty, które dokonujesz, określają zmiany w saldzie bankowym.”Wyraża się to matematycznie jako: ΔU = Q-W, gdzie ΔU jest zmianą energii wewnętrznej, Q jest ciepłem dodanym do układu, A W jest pracą wykonaną przez układ.,

Historia

naukowcy pod koniec XVIII i na początku XIX wieku przestrzegali teorii kaloryczności, zaproponowanej po raz pierwszy przez Antoine ' a Lavoisiera w 1783 roku, a następnie wzmocnionej przez pracę Sadiego Carnota w 1824 roku, według American Physical Society. Teoria kaloryczna traktowała ciepło jako rodzaj płynu, który naturalnie płynął z gorących do zimnych regionów, podobnie jak woda przepływa z wysokich do niskich miejsc. Kiedy ten kaloryczny płyn płynął z gorącego do zimnego regionu, mógł zostać przekształcony w energię kinetyczną i wykonany do pracy tak samo jak spadająca woda może napędzać koło wodne., Dopiero Rudolph Clausius opublikował „the Mechanical Theory of Heat” w 1879 roku, teoria kaloryczności została ostatecznie zamknięta.

Układy termodynamiczne

energię można podzielić na dwie części, według Davida McKee, profesora fizyki na Missouri Southern State University. Jednym z nich jest nasz makroskopowy wkład w skali człowieka, taki jak tłok poruszający się i pchający na układ gazu. I odwrotnie, rzeczy dzieją się na bardzo małą skalę, gdzie nie możemy śledzić poszczególnych składek.,

McKee wyjaśnia: „kiedy kładę dwie próbki metalu przeciwko sobie, a Atomy grzechoczą wokół granicy, a dwa atomy odbijają się od siebie, a jeden z nich odpada szybciej niż drugi, nie mogę tego śledzić. Dzieje się to w bardzo małej skali czasu i na bardzo małej odległości, i dzieje się to wiele, wiele razy na sekundę. Więc po prostu dzielimy wszystkie transfery energii na dwie grupy: rzeczy, które będziemy śledzić, i rzeczy, których nie będziemy śledzić. To ostatnie z nich nazywamy ciepłem.,”

układy termodynamiczne są ogólnie uważane za otwarte, zamknięte lub izolowane. Według University of California, Davis, otwarty system swobodnie wymienia energię i materię ze swoim otoczeniem; zamknięty system wymienia energię, ale nie materię ze swoim otoczeniem; a izolowany system nie wymienia energii ani materii ze swoim otoczeniem. Przykładowo, garnek z gotującą się zupą odbiera energię z pieca, wypromieniowuje ciepło z patelni, oraz emituje materię w postaci pary wodnej, która również odprowadza energię cieplną. To byłby otwarty system., Jeśli umieścimy szczelną pokrywę na garnku, nadal będzie emitować energię cieplną, ale nie będzie już emitować materii w postaci pary. To byłby zamknięty system. Gdybyśmy jednak wlali zupę do idealnie izolowanej butelki z termosem i zamknęli pokrywę, nie byłoby energii ani materii wchodzącej ani wychodzącej z systemu. To byłby izolowany system.

w praktyce jednak systemy doskonale izolowane nie mogą istnieć. Wszystkie systemy przenoszą energię do otoczenia poprzez promieniowanie, bez względu na to, jak dobrze są izolowane., Zupa w termosie pozostanie gorąca tylko przez kilka godzin i osiągnie temperaturę pokojową następnego dnia. W innym przykładzie, białe karły, gorące pozostałości wypalonych gwiazd, które nie produkują już energii, mogą być izolowane przez lata świetlne prawie idealnej próżni w przestrzeni międzygwiezdnej, ale ostatecznie ochłodzą się z kilkudziesięciu tysięcy stopni do zera bezwzględnego z powodu utraty energii przez promieniowanie. Chociaż proces ten trwa dłużej niż obecny wiek Wszechświata, nie da się go powstrzymać.,

silniki cieplne

najczęstszym praktycznym zastosowaniem pierwszego prawa jest silnik cieplny. Silniki cieplne przekształcają energię cieplną w energię mechaniczną i odwrotnie. Większość silników cieplnych należy do kategorii układów otwartych. Podstawowa zasada silnika cieplnego wykorzystuje zależności między ciepłem, objętością i ciśnieniem płynu roboczego. Ciecz ta jest zazwyczaj gazem, ale w niektórych przypadkach może ulegać zmianom fazowym z gazu w ciecz i z powrotem do gazu podczas cyklu.

gdy gaz jest ogrzewany, rozszerza się; jednak gdy gaz ten jest ograniczony, zwiększa się ciśnienie., Jeśli dolna ścianka Komory zamykającej jest górną częścią ruchomego tłoka, ciśnienie to wywiera siłę na powierzchnię tłoka, powodując jego przesunięcie w dół. Ruch ten można następnie wykorzystać do wykonania pracy równej całkowitej sile przyłożonej do górnej części tłoka razy odległości, jaką porusza się tłok.

istnieje wiele odmian podstawowego silnika cieplnego. Na przykład silniki parowe polegają na spalaniu zewnętrznym w celu ogrzania zbiornika kotła zawierającego płyn roboczy, zazwyczaj wodę., Woda jest przekształcana w parę, a ciśnienie jest następnie wykorzystywane do napędzania tłoka, który zamienia energię cieplną na energię mechaniczną. Silniki samochodowe wykorzystują jednak spalanie wewnętrzne, w którym paliwo płynne odparowuje, miesza się z powietrzem i zapala się wewnątrz cylindra nad ruchomym tłokiem napędzającym go w dół.

lodówki, klimatyzatory i pompy ciepła

lodówki i pompy ciepła są silnikami cieplnymi, które przekształcają energię mechaniczną w ciepło. Większość z nich należy do kategorii systemów zamkniętych. Gdy gaz jest sprężony, jego temperatura wzrasta., Ten gorący gaz może następnie przenosić ciepło do otaczającego go środowiska. Następnie, gdy sprężony gaz może się rozszerzać, jego temperatura staje się chłodniejsza niż przed sprężeniem, ponieważ część jego energii cieplnej została usunięta podczas cyklu gorącego. Ten zimny gaz może następnie absorbować energię cieplną z otoczenia. To jest roboczy dyrektor za klimatyzator. Klimatyzatory w rzeczywistości nie wytwarzają zimna; usuwają ciepło. Płyn roboczy jest przenoszony na zewnątrz za pomocą pompy mechanicznej, gdzie jest podgrzewany przez sprężanie., Następnie przenosi to ciepło do środowiska zewnętrznego, zwykle przez chłodzony powietrzem wymiennik ciepła. Następnie jest wprowadzany z powrotem do pomieszczeń, gdzie może się rozszerzać i chłodzić, aby mógł absorbować ciepło z powietrza wewnętrznego przez inny wymiennik ciepła.

pompa ciepła to po prostu Klimatyzator uruchamiany wstecznie. Ciepło ze sprężonego płynu roboczego jest wykorzystywane do ogrzania budynku. Następnie jest przenoszony na zewnątrz, gdzie rozszerza się i staje się zimny, umożliwiając w ten sposób pochłanianie ciepła z powietrza zewnętrznego, które nawet w zimie jest zwykle cieplejsze niż zimny płyn roboczy.,

Systemy klimatyzacji geotermalnej lub gruntowej i pomp ciepła wykorzystują długie rury w kształcie litery U w głębokich studniach lub szereg poziomych rur zakopanych na dużym obszarze, przez który krąży płyn roboczy, a ciepło jest przekazywane do lub z ziemi. Inne systemy używają rzek lub wody oceanicznej do podgrzewania lub chłodzenia płynu roboczego.