Pojęcie ilości ciepła. Obliczanie ilości ciepła potrzebnego do ogrzania ciała lub wydzielanego przez nie podczas chłodzenia

Energia wewnętrzna ciała może się zmieniać pod wpływem działania sił zewnętrznych. Aby scharakteryzować zmianę energii wewnętrznej podczas wymiany ciepła, wprowadza się wielkość zwaną ilością ciepła i oznaczoną Q.

W systemie międzynarodowym jednostką ciepła, a także pracy i energii jest dżul: = = = 1 J.

W praktyce czasami stosuje się niesystemową jednostkę ilości ciepła – kalorię. 1 kal. = 4,2 J.

Należy zauważyć, że określenie „ilość ciepła” jest niefortunne. Wprowadzono go w czasach, gdy wierzono, że w ciele znajduje się jakiś nieważki, nieuchwytny płyn – kaloryczny. Proces wymiany ciepła rzekomo polega na tym, że kaloryfer przepływając z jednego ciała do drugiego niesie ze sobą pewną ilość ciepła. Teraz, znając podstawy molekularno-kinetycznej teorii budowy materii, rozumiemy, że w ciałach nie ma kalorii, mechanizm zmiany energii wewnętrznej ciała jest inny. Siła tradycji jest jednak wielka i nadal używamy terminu wprowadzonego na podstawie błędnych wyobrażeń o naturze ciepła. Jednocześnie rozumiejąc naturę wymiany ciepła, nie należy całkowicie ignorować błędnych przekonań na ten temat. Wręcz odwrotnie, dokonując analogii pomiędzy przepływem ciepła a przepływem hipotetycznej cieczy kalorycznej, ilością ciepła i ilością kaloryczną, przy rozwiązywaniu pewnych klas problemów można zwizualizować zachodzące procesy i prawidłowo rozwiązać problemy. Ostatecznie kiedyś otrzymano prawidłowe równania opisujące procesy wymiany ciepła na podstawie błędnych wyobrażeń o kalorii jako nośniku ciepła.

Rozważmy bardziej szczegółowo procesy, które mogą wystąpić w wyniku wymiany ciepła.

Do probówki wlej trochę wody i zamknij ją korkiem. Zawieszamy probówkę na pręcie umocowanym w stojaku i kładziemy pod nią otwarty ogień. Probówka otrzymuje pewną ilość ciepła od płomienia, a temperatura znajdującej się w niej cieczy wzrasta. Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta energia wewnętrzna cieczy. Następuje intensywny proces parowania. Rozprężające się pary cieczy wykonują pracę mechaniczną polegającą na wypchnięciu korka z probówki.

Przeprowadźmy kolejny eksperyment z modelem armaty wykonanej z kawałka mosiężnej rurki, która jest zamontowana na wózku. Tubus z jednej strony jest szczelnie zamknięty ebonitowym korkiem, przez który przechodzi kołek. Do pinu i rurki przylutowane są przewody zakończone zaciskami, do których można doprowadzić napięcie z sieci oświetleniowej. Model armatni jest zatem rodzajem kotła elektrycznego.

Do lufy armaty wlej trochę wody i zamknij rurkę gumowym korkiem. Podłączmy pistolet do źródła zasilania. Prąd elektryczny przepływający przez wodę podgrzewa ją. Woda wrze, co prowadzi do intensywnego tworzenia się pary. Zwiększa się ciśnienie pary wodnej i w końcu wykonują one pracę polegającą na wypchnięciu wtyczki z lufy pistoletu.

Pistolet na skutek odrzutu toczy się w kierunku przeciwnym do wyrzucenia grzybka.

Obydwa doświadczenia łączą następujące okoliczności. W procesie podgrzewania cieczy na różne sposoby wzrosła temperatura cieczy i odpowiednio jej energia wewnętrzna. Aby ciecz zagotowała się i intensywnie odparowała, konieczne było jej dalsze podgrzewanie.

Pary cieczy, dzięki swojej energii wewnętrznej, wykonują pracę mechaniczną.

Badamy zależność ilości ciepła potrzebnego do ogrzania ciała od jego masy, zmian temperatury i rodzaju substancji. Do badania tych zależności użyjemy wody i oleju. (W doświadczeniu do pomiaru temperatury używa się termometru elektrycznego składającego się z termopary połączonej z galwanometrem lustrzanym. Jedno złącze termopary zanurza się w naczyniu z zimną wodą, aby zapewnić jej stałą temperaturę. Drugie złącze termopary mierzy temperaturę cieczy w trakcie studiów).

Doświadczenie składa się z trzech serii. W pierwszej serii dla stałej masy określonej cieczy (w naszym przypadku wody) badana jest zależność ilości ciepła potrzebnego do jej ogrzania od zmian temperatury. Ilość ciepła odebranego przez ciecz z grzejnika (kuchenki elektrycznej) będziemy oceniać po czasie nagrzewania, zakładając, że istnieje między nimi wprost proporcjonalna zależność. Aby wynik doświadczenia odpowiadał temu założeniu, należy zapewnić stacjonarny przepływ ciepła z kuchenki elektrycznej do nagrzanego ciała. W tym celu wcześniej włączono kuchenkę elektryczną, aby na początku eksperymentu temperatura jej powierzchni przestała się zmieniać. Aby ciecz w trakcie eksperymentu była bardziej równomiernie podgrzana, będziemy ją mieszać za pomocą samej termopary. Odczyty termometru będziemy rejestrować w regularnych odstępach czasu, aż plamka świetlna dotrze do krawędzi skali.

Załóżmy, że istnieje wprost proporcjonalna zależność pomiędzy ilością ciepła potrzebną do ogrzania ciała a zmianą jego temperatury.

W drugiej serii doświadczeń porównamy ilości ciepła potrzebne do ogrzania identycznych cieczy o różnych masach, gdy ich temperatura zmieni się o tę samą wartość.

Dla wygody porównania uzyskanych wartości przyjmuje się, że masa wody w drugim doświadczeniu będzie dwukrotnie mniejsza niż w pierwszym doświadczeniu.

Będziemy ponownie rejestrować odczyty termometru w regularnych odstępach czasu.

Porównując wyniki pierwszego i drugiego doświadczenia, można wyciągnąć następujące wnioski.

W trzeciej serii doświadczeń porównamy ilości ciepła potrzebne do ogrzania jednakowych mas różnych cieczy, gdy ich temperatura zmieni się o tę samą wartość.

Olej będziemy podgrzewać na kuchence elektrycznej, której masa jest równa masie wody w pierwszym eksperymencie. Odczyty termometru będziemy rejestrować w regularnych odstępach czasu.

Wynik doświadczenia potwierdza wniosek, że ilość ciepła potrzebna do ogrzania ciała jest wprost proporcjonalna do zmiany jego temperatury, a ponadto wskazuje na zależność tej ilości ciepła od rodzaju substancji.

Ponieważ w doświadczeniu wykorzystano olej, którego gęstość jest mniejsza od gęstości wody, a ogrzanie oleju do określonej temperatury wymagało mniej ciepła niż podgrzanie wody, można założyć, że ilość ciepła potrzebna do ogrzania ciała zależy od jego gęstość.

Aby przetestować to założenie, będziemy jednocześnie podgrzewać równe masy wody, parafiny i miedzi na grzejniku o stałej mocy.

Po tym czasie temperatura miedzi jest około 10-krotna, a parafiny około 2-krotnie wyższa od temperatury wody.

Ale miedź ma większą gęstość, a parafina ma mniejszą gęstość niż woda.

Doświadczenie pokazuje, że wielkością charakteryzującą szybkość zmian temperatury substancji, z których zbudowane są ciała biorące udział w wymianie ciepła, nie jest gęstość. Wielkość ta nazywana jest ciepłem właściwym substancji i jest oznaczona literą c.

Do porównania ciepła właściwego różnych substancji używa się specjalnego urządzenia. Urządzenie składa się ze stojaków, w których zamocowana jest cienka płyta parafinowa oraz pasek z przechodzącymi przez nią prętami. Na końcach prętów zamocowane są cylindry aluminiowe, stalowe i mosiężne o jednakowej masie.

Podgrzejmy cylindry do tej samej temperatury, zanurzając je w naczyniu z wodą stojącym na rozgrzanym piecu. Mocujemy gorące cylindry do stojaków i zwalniamy je z mocowania. Cylindry jednocześnie dotykają płyty parafinowej i topiąc parafinę, zaczynają w niej opadać. Głębokość zanurzenia cylindrów o tej samej masie w płycie parafinowej, gdy ich temperatura zmienia się o tę samą wartość, okazuje się różna.

Doświadczenie pokazuje, że ciepło właściwe aluminium, stali i mosiądzu jest różne.

Po przeprowadzeniu odpowiednich eksperymentów z topieniem ciał stałych, odparowaniem cieczy i spalaniem paliwa otrzymujemy następujące zależności ilościowe.

Aby otrzymać jednostki określonych wielkości, należy je wyrazić z odpowiednich wzorów i w otrzymanych wyrażeniach zastąpić jednostki ciepła - 1 J, masę - 1 kg, a dla ciepła właściwego - 1 K.

Otrzymujemy następujące jednostki: ciepło właściwe – 1 J/kg·K, inne ciepło właściwe: 1 J/kg.

Energia wewnętrzna ciała zależy od jego temperatury oraz warunków zewnętrznych - objętości itp. Jeżeli warunki zewnętrzne pozostają niezmienione, tj. objętość i inne parametry są stałe, to energia wewnętrzna ciała zależy tylko od jego temperatury.

Energię wewnętrzną ciała można zmienić nie tylko podgrzewając je w płomieniu lub wykonując na nim pracę mechaniczną (bez zmiany położenia ciała, np. pracy tarcia), ale także poprzez zetknięcie go z innym ciałem. ciało, które ma temperaturę inną niż temperatura tego ciała, tj. poprzez wymianę ciepła.

Ilość energii wewnętrznej, jaką ciało zyskuje lub traci podczas wymiany ciepła, nazywa się „ilością ciepła”. Ilość ciepła jest zwykle oznaczona literą „Q”. Jeśli energia wewnętrzna ciała wzrasta w procesie wymiany ciepła, wówczas ciepłu przypisuje się znak plus i mówi się, że ciału nadano ciepło „Q”. Kiedy w procesie przekazywania ciepła energia wewnętrzna maleje, ciepło uważa się za ujemne i mówi się, że ilość ciepła „Q” została usunięta (lub usunięta) z ciała.

Ilość ciepła można mierzyć w tych samych jednostkach, w których mierzy się energię mechaniczną. W SI jest to „1”. dżul. Istnieje jeszcze jedna jednostka miary ciepła – kalorie. Kaloria to ilość ciepła potrzebna do ogrzania `1` g wody o `1^@bb"C"`. Zależność pomiędzy tymi jednostkami ustalił Joule: `1` cal `= 4,18` J. Oznacza to, że w wyniku pracy `4,18` kJ temperatura `1` kilograma wody wzrośnie o `1` stopień.

Ilość ciepła potrzebna do ogrzania ciała o 1^@bb"C" nazywana jest pojemnością cieplną ciała. Pojemność cieplna ciała oznaczona jest literą „C”. Jeśli organizmowi zostanie poddana niewielka ilość ciepła „Delta Q”, a temperatura ciała zmieni się na stopnie „Delta t”, wówczas

`Q=C*Deltat=C*(t_2 - t_1)=c*m*(t_2 - t_1)`.

(1.3)

Jeśli ciało otoczone jest powłoką, która źle przewodzi ciepło, to temperatura ciała pozostawiona samemu sobie będzie przez długi czas praktycznie stała. Takie idealne muszle oczywiście nie istnieją w przyrodzie, ale możliwe jest stworzenie muszli, które pod względem właściwości są zbliżone do takich.

Przykłady obejmują wyściółkę statków kosmicznych i kolby Dewara stosowane w fizyce i technologii. Kolba Dewara to szklany lub metalowy cylinder z podwójnymi lustrzanymi ściankami, pomiędzy którymi wytwarza się wysoka próżnia. Szklana kolba domowego termosu jest również kolbą Dewara.

Skorupa jest izolująca kalorymetr- urządzenie umożliwiające pomiar ilości ciepła. Kalorymetr to duże, cienkościenne szkło, umieszczone na kawałkach korka wewnątrz innego dużego szkła, tak aby między ściankami pozostała warstwa powietrza, i zamknięte od góry termoizolacyjną pokrywą.

Jeśli dwa lub więcej ciał o różnych temperaturach zetknie się w kalorymetrze i poczeka, to po pewnym czasie wewnątrz kalorymetru ustali się równowaga termiczna. W procesie przejścia do równowagi termicznej niektóre ciała oddają ciepło (całkowita ilość ciepła `Q_(sf"podłoga")`, inne otrzymają ciepło (całkowita ilość ciepła `Q_(sf"podłoga")`) . A ponieważ kalorymetr i ciała w nim zawarte nie wymieniają ciepła z otaczającą przestrzenią, a jedynie między sobą, możemy zapisać zależność, zwaną także równanie bilansu cieplnego:

W szeregu procesów termicznych ciepło może zostać pochłonięte lub oddane przez ciało bez zmiany jego temperatury. Takie procesy termiczne zachodzą, gdy zmienia się stan skupienia substancji - topienie, krystalizacja, parowanie, kondensacja i wrzenie. Omówmy pokrótce główne cechy tych procesów.

Topienie- proces zamiany krystalicznego ciała stałego w ciecz. Proces topienia zachodzi w stałej temperaturze, podczas gdy ciepło jest pochłaniane.

Ciepło właściwe topnienia „lambda” jest równe ilości ciepła potrzebnego do stopienia „1” kg substancji krystalicznej w jej temperaturze topnienia. Ilość ciepła `Q_(sf"pl")` potrzebna do przekształcenia ciała stałego o masie `m` w temperaturze topnienia w stan ciekły jest równa

Ponieważ temperatura topnienia pozostaje stała, ilość ciepła przekazanego ciału zwiększa energię potencjalną interakcji między cząsteczkami, a sieć krystaliczna ulega zniszczeniu.

Proces krystalizacja- Jest to proces odwrotny do procesu topienia. Podczas krystalizacji ciecz zamienia się w ciało stałe i wydziela się ilość ciepła, również określona wzorem (1.5).

Odparowanie to proces przemiany cieczy w parę. Parowanie następuje z otwartej powierzchni cieczy. W procesie parowania z cieczy opuszczają najszybsze cząsteczki, czyli takie, które są w stanie pokonać siły przyciągania wywierane przez cząsteczki cieczy. W rezultacie, jeśli ciecz jest izolowana termicznie, to w procesie parowania ochładza się.

Ciepło właściwe parowania „L” jest równe ilości ciepła potrzebnego do zamiany „1” kg cieczy w parę. Ilość ciepła `Q_(sf"use")` potrzebna do przekształcenia cieczy o masie `m` w stan pary jest równa

`Q_(sf"isp") =L*m`.

(1.6)

Kondensacja- proces odwrotny do procesu parowania. Kiedy nastąpi kondensacja, para zamienia się w ciecz. To generuje ciepło. Ilość ciepła wydzielanego podczas kondensacji pary określa się wzorem (1.6).

Wrzenie- proces, w którym prężność pary nasyconej cieczy jest równa ciśnieniu atmosferycznemu, więc parowanie zachodzi nie tylko z powierzchni, ale w całej objętości (w cieczy zawsze znajdują się pęcherzyki powietrza; podczas wrzenia ciśnienie pary w nich osiąga ciśnienie atmosferyczne i pęcherzyki unoszą się w górę).

Jak wiadomo, podczas różnych procesów mechanicznych następuje zmiana energii mechanicznej. Miarą zmiany energii mechanicznej jest praca sił przyłożonych do układu:

Podczas wymiany ciepła następuje zmiana energii wewnętrznej ciała. Miarą zmiany energii wewnętrznej podczas wymiany ciepła jest ilość ciepła.

Ilość ciepła jest miarą zmiany energii wewnętrznej, którą ciało otrzymuje (lub oddaje) w procesie wymiany ciepła.

Zatem zarówno praca, jak i ilość ciepła charakteryzują zmianę energii, ale nie są tożsame z energią. Nie charakteryzują one stanu samego układu, ale określają proces przejścia energii z jednego rodzaju na drugi (z jednego ciała na drugie), gdy stan się zmienia i w istotny sposób zależą od charakteru procesu.

Zasadnicza różnica między pracą a ilością ciepła polega na tym, że praca charakteryzuje proces zmiany energii wewnętrznej układu, któremu towarzyszy przemiana energii z jednego rodzaju na inny (z mechanicznej na wewnętrzną). Ilość ciepła charakteryzuje proces przenoszenia energii wewnętrznej z jednego ciała do drugiego (z bardziej ogrzanego do mniej ogrzanego), któremu nie towarzyszą przemiany energetyczne.

Doświadczenie pokazuje, że ilość ciepła potrzebną do ogrzania ciała o masie m od temperatury do temperatury oblicza się ze wzoru

gdzie c jest ciepłem właściwym substancji;

Jednostką ciepła właściwego w układzie SI jest dżul na kilogram Kelwina (J/(kg·K)).

Ciepło właściwe c jest liczbowo równe ilości ciepła, jakie należy dostarczyć ciału o masie 1 kg, aby ogrzać je o 1 K.

Pojemność cieplna ciało jest liczbowo równe ilości ciepła potrzebnego do zmiany temperatury ciała o 1 K:

Jednostką pojemności cieplnej ciała w układzie SI jest dżul na kelwin (J/K).

Aby zamienić ciecz w parę o stałej temperaturze, należy wydać pewną ilość ciepła

gdzie L jest ciepłem właściwym parowania. Kiedy para się skrapla, uwalniana jest taka sama ilość ciepła.

Aby stopić ciało krystaliczne o masie m w temperaturze topnienia, należy przekazać ciału pewną ilość ciepła

gdzie jest ciepło właściwe topnienia. Kiedy ciało krystalizuje, uwalniana jest taka sama ilość ciepła.

Ilość ciepła wydzielonego podczas całkowitego spalania paliwa o masie m,

gdzie q jest ciepłem właściwym spalania.

Jednostką ciepła właściwego parowania, topnienia i spalania w układzie SI jest dżul na kilogram (J/kg).

Na tej lekcji nauczymy się obliczać ilość ciepła potrzebnego do ogrzania ciała lub oddanego przez nie podczas chłodzenia. W tym celu podsumujemy wiedzę zdobytą na poprzednich lekcjach.

Dodatkowo nauczymy się, korzystając ze wzoru na ilość ciepła, wyrazić pozostałe wielkości z tego wzoru i obliczyć je, znając inne wielkości. Rozważony zostanie także przykład problemu z rozwiązaniem obliczenia ilości ciepła.

Lekcja ta poświęcona jest obliczeniu ilości ciepła wydzielanego podczas ogrzewania ciała lub wydzielania go po ochłodzeniu.

Bardzo ważna jest umiejętność obliczenia wymaganej ilości ciepła. Może to być potrzebne na przykład przy obliczaniu ilości ciepła, jaką należy przekazać wodzie, aby ogrzać pomieszczenie.

Ryż. 1. Ilość ciepła, jaką należy przekazać wodzie, aby ogrzać pomieszczenie

Lub obliczyć ilość ciepła uwalnianego podczas spalania paliwa w różnych silnikach:

Ryż. 2. Ilość ciepła wydzielanego podczas spalania paliwa w silniku

Wiedza ta jest także potrzebna np. do określenia ilości ciepła wydzielanego przez Słońce i padającego na Ziemię:

Ryż. 3. Ilość ciepła wydzielanego przez Słońce i padającego na Ziemię

Aby obliczyć ilość ciepła, musisz wiedzieć trzy rzeczy (ryc. 4):

• masa ciała (którą zwykle można zmierzyć za pomocą wagi);
• różnica temperatur, o jaką ciało musi zostać ogrzane lub schłodzone (zwykle mierzona za pomocą termometru);
• pojemność cieplna właściwa ciała (którą można wyznaczyć z tabeli).

Ryż. 4. Co musisz wiedzieć, aby to ustalić

Wzór na obliczenie ilości ciepła wygląda następująco:

We wzorze tym pojawiają się następujące ilości:

Ilość ciepła mierzona w dżulach (J);

Ciepło właściwe substancji mierzy się w;

- różnica temperatur mierzona w stopniach Celsjusza ().

Rozważmy problem obliczenia ilości ciepła.

Zadanie

Szkło miedziane o masie gramów zawiera wodę o objętości litra i temperaturze. Ile ciepła należy przekazać szklance wody, aby jej temperatura była równa?

Ryż. 5. Ilustracja warunków problemowych

Najpierw zapisujemy krótki warunek ( Dany) i przeliczyć wszystkie wielkości na system międzynarodowy (SI).

Dany:	SI
Znajdować:

Rozwiązanie:

Najpierw określ, jakie inne wielkości potrzebujemy, aby rozwiązać ten problem. Korzystając z tabeli pojemności cieplnej właściwej (Tabela 1) znajdujemy (ciepło właściwe miedzi, ponieważ w danym stanie szkło jest miedziane), (ciepło właściwe wody, ponieważ w zależności od stanu w szkle znajduje się woda). Ponadto wiemy, że do obliczenia ilości ciepła potrzebna jest masa wody. Zgodnie z warunkiem otrzymujemy tylko objętość. Dlatego z tabeli pobieramy gęstość wody: (Tabela 2).

Tabela 1. Ciepło właściwe niektórych substancji,

Tabela 2. Gęstości niektórych cieczy

Teraz mamy wszystko, czego potrzebujemy, aby rozwiązać ten problem.

Należy pamiętać, że ostateczna ilość ciepła będzie składać się z sumy ilości ciepła potrzebnego do ogrzania miedzianego szkła i ilości ciepła potrzebnego do podgrzania znajdującej się w nim wody:

Najpierw obliczmy ilość ciepła potrzebną do ogrzania szkła miedzianego:

Przed obliczeniem ilości ciepła potrzebnego do ogrzania wody obliczmy masę wody korzystając ze wzoru znanego nam z klasy 7:

Teraz możemy obliczyć:

Następnie możemy obliczyć:

Pamiętajmy, co oznaczają kilodżule. Przedrostek „kilo” oznacza .

Odpowiedź:.

Dla wygody rozwiązywania problemów ze znalezieniem ilości ciepła (tzw. problemów bezpośrednich) i wielkości związanych z tym pojęciem można skorzystać z poniższej tabeli.

Wymagana ilość	Przeznaczenie	Jednostki	Podstawowa formuła	Wzór na ilość
Ilość ciepła

Oprócz energii mechanicznej każde ciało (lub układ) ma energię wewnętrzną. Energia wewnętrzna jest energią spoczynku. Składa się z chaotycznego ruchu termicznego cząsteczek tworzących ciało, energii potencjalnej ich wzajemnego ułożenia, energii kinetycznej i potencjalnej elektronów w atomach, nukleonów w jądrach i tak dalej.

W termodynamice ważne jest, aby znać nie wartość bezwzględną energii wewnętrznej, ale jej zmianę.

W procesach termodynamicznych zmienia się jedynie energia kinetyczna poruszających się cząsteczek (energia cieplna nie wystarczy, aby zmienić strukturę atomu, a tym bardziej jądra). Dlatego w rzeczywistości pod energią wewnętrzną w termodynamice mamy na myśli energię chaos termiczny ruchy molekularne.

Energia wewnętrzna U jeden mol gazu doskonałego jest równy:

Zatem, energia wewnętrzna zależy tylko od temperatury. Energia wewnętrzna U jest funkcją stanu układu, niezależnie od tła.

Oczywiste jest, że w ogólnym przypadku układ termodynamiczny może mieć zarówno energię wewnętrzną, jak i mechaniczną, a różne układy mogą wymieniać tego rodzaju energię.

Giełda energia mechaniczna charakteryzuje się doskonałością praca A, i wymianę energii wewnętrznej – ilość przekazanego ciepła Q.

Na przykład zimą rzuciłeś gorący kamień w śnieg. Dzięki zapasowi energii potencjalnej wykonano pracę mechaniczną mającą na celu zagęszczenie śniegu, a dzięki zapasowi energii wewnętrznej śnieg uległ stopieniu. Jeśli kamień był zimny, tj. Jeśli temperatura kamienia jest równa temperaturze ośrodka, wówczas zostanie wykonana tylko praca, ale nie będzie wymiany energii wewnętrznej.

Zatem praca i ciepło nie są specjalnymi formami energii. Nie możemy mówić o rezerwie ciepła i pracy. Ten miarę przeniesionego inny układ energii mechanicznej lub wewnętrznej. Można mówić o rezerwie tych energii. Ponadto energię mechaniczną można przekształcić w energię cieplną i odwrotnie. Przykładowo, jeśli uderzysz młotkiem w kowadło, to po chwili młotek i kowadło się nagrzeją (to jest przykład rozpusta energia).

Przykładów transformacji jednej formy energii w drugą możemy podać znacznie więcej.

Doświadczenie pokazuje, że we wszystkich przypadkach Przekształcenie energii mechanicznej w energię cieplną i odwrotnie zawsze zachodzi w ilościach ściśle równoważnych. Na tym polega istota pierwszej zasady termodynamiki, która wynika z prawa zachowania energii.

Ilość ciepła przekazanego ciału służy do zwiększenia energii wewnętrznej i wykonania pracy nad ciałem:

,

(4.1.1)

- To jest to pierwsza zasada termodynamiki , Lub Prawo zachowania energii w termodynamice.

Zasada znaku: jeśli ciepło jest przekazywane z otoczenia ten system, i czy układ wykonuje pracę na otaczających ciałach, w tym przypadku . Biorąc pod uwagę zasadę znaku, pierwszą zasadę termodynamiki można zapisać jako:

W tym wyrażeniu U– funkcja stanu systemu; D U jest jego całkowitą różnicą oraz δ Q i δ A oni nie są. W każdym stanie układ ma pewną i tylko taką wartość energii wewnętrznej, zatem możemy napisać:

,

Ważne jest, aby pamiętać, że ciepło Q i praca A zależą od tego, w jaki sposób następuje przejście ze stanu 1 do stanu 2 (izochorycznie, adiabatycznie itp.) oraz od energii wewnętrznej U nie zależy. Jednocześnie nie można powiedzieć, że układ ma określoną wartość ciepła i pracy dla danego stanu.

Ze wzoru (4.1.2) wynika, że ​​ilość ciepła wyraża się w tych samych jednostkach, co praca i energia, tj. w dżulach (J).

Szczególne znaczenie w termodynamice mają procesy okrężne lub cykliczne, w których układ po przejściu przez szereg stanów powraca do stanu pierwotnego. Rysunek 4.1 przedstawia proces cykliczny 1– A–2–B–1, podczas gdy praca A została wykonana.

Ryż. 4.1

Ponieważ U jest zatem funkcją stanu

(4.1.3)

Dotyczy to dowolnej funkcji stanu.

Jeżeli zatem zgodnie z pierwszą zasadą termodynamiki, tj. Nie da się zbudować silnika pracującego okresowo, który wykonałby więcej pracy, niż ilość energii dostarczonej mu z zewnątrz. Innymi słowy, perpetuum mobile pierwszego rodzaju jest niemożliwe. Jest to jedno z sformułowań pierwszej zasady termodynamiki.

Należy zaznaczyć, że pierwsza zasada termodynamiki nie wskazuje, w jakim kierunku zachodzą procesy zmiany stanu, co jest jedną z jej wad.