Πρώτος Νόμος της Θερμοδυναμικής

Ο κλάδος της χημείας που ασχολείται με τη θερμότητα και άλλες μορφές ενέργειας είναι γνωστός ως θερμοδυναμική. Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής αφορά τη διατήρηση της ενέργειας των θερμοδυναμικών διεργασιών. Έτσι, αν πάρουμε το παράδειγμα της θερμότητας, δεν μπορεί ούτε να δημιουργηθεί ούτε να καταστραφεί. Η θερμότητα αποκαθίσταται σε κάποια άλλη μορφή ενέργειας. Ένας θερμικός κινητήρας είναι το πιο συνηθισμένο παράδειγμα τέτοιου συστήματος, το οποίο μετατρέπει τη θερμική ενέργεια σε μηχανική ενέργεια και το αντίστροφο.

Θερμοδυναμική

Η μελέτη της σχέσης μεταξύ θερμότητας, θερμοκρασίας, ενέργειας και εργασίας είναι γνωστή ως θερμοδυναμική. Οι νόμοι της θερμοδυναμικής εξηγούν πώς αλλάζει ένα σύστημα και πώς λειτουργεί στο περιβάλλον του.

Σύστημα και περιβάλλον

Το τμήμα του σύμπαντος που θεωρείται για θερμοδυναμική εξέταση είναι γνωστό ως σύστημα. Το υπόλοιπο τμήμα του συστήματος ή το τμήμα χωρίς σύστημα είναι γνωστό ως περιβάλλον.

Για παράδειγμα, εάν το σύστημα είναι ένα γραμμομόριο αερίου τοποθετημένο σε ένα ποτήρι, τα πάντα έξω από τα όρια του ποτηριού ζέσεως περιβάλλουν.

Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής

Δηλώνει ότι η ενέργεια της σφαίρας δεν αλλάζει. παραμένει πάντα διατηρημένο. Δεν μπορεί ούτε να παραχθεί ούτε να καταστραφεί. Μπορεί να μεταφερθεί μόνο από ένα σύστημα σε άλλο σύστημα στο σύμπαν. Ο νόμος περιγράφει την αλλαγή στις ενεργειακές καταστάσεις με τη μεταφορά θερμότητας και τις αλλαγές εργασίας.

Εξίσωση Πρώτου Θερμοδυναμικού Νόμου

Η εξίσωση που ορίζει τον πρώτο νόμο της θερμοδυναμικής είναι-

ΔU =q + W

• Το ΔU είναι μια αλλαγή στην εσωτερική ενέργεια είναι η μεταφορά θερμότητας μεταξύ του συστήματος και του περιβάλλοντος χώρου και
• W είναι η συνολική εργασία που εκτελείται.

Δηλώνει ότι η εσωτερική ενέργεια ενός συστήματος επηρεάζεται από τη θερμότητα και το έργο.

Παραδείγματα του Πρώτου Νόμου της Θερμοδυναμικής

• Θερμικός κινητήρας: είναι το πιο συνηθισμένο παράδειγμα. Σε αυτό το σύστημα, η μηχανική ενέργεια μετατρέπεται σε θερμική ενέργεια ή αντίστροφα. Έτσι, αυτό το σύστημα δεν επιτρέπει την απώλεια θερμότητας. Και έτσι, δεν χάνεται καμία ποσότητα ενέργειας.
• Φωτοσύνθεση: Είναι η διαδικασία που χρησιμοποιείται από τα φυτά για την προετοιμασία της τροφής παρουσία του ηλιακού φωτός. Κατά τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης, η φωτεινή ενέργεια μετατρέπεται σε χημική ενέργεια.
• Καλούν εκκρεμές: Όταν ένα εκκρεμές ταλαντεύεται, χρησιμοποιεί δυναμική ενέργεια που μετατρέπεται σε κινητική ενέργεια. Αυτή η κινητική ενέργεια μετατρέπεται ξανά σε δυναμική ενέργεια. Έτσι, μηδενική ποσότητα ενέργειας χάνεται.
• Κάψιμο ξύλου: Η καύση ξύλου μετατρέπει τη χημική ενέργεια σε κινητική. Και όταν η καύση του ξύλου μετατρέπεται σε στάχτη, αυτή η κινητική ενέργεια μεταφέρεται σε θερμότητα.

Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής για ένα κλειστό σύστημα

Σε ένα κλειστό σύστημα, η ενέργεια μπορεί να μεταφερθεί μεταξύ του συστήματος και του περιβάλλοντος, όχι ύλης.

Για ένα κλειστό σύστημα, η συνολική εργασία που γίνεται είναι ίση με την πίεση που εφαρμόζεται και τη μεταβολή του όγκου του συστήματος που συμβαίνει λόγω της ασκούμενης δύναμης.

W =-qΔV

W είναι η εργασία που γίνεται στο σύστημα, q είναι η πίεση που εφαρμόζεται, V είναι η μεταβολή του όγκου του συστήματος. Μπορούμε να υπολογίσουμε την εργασία που έγινε χρησιμοποιώντας την παραπάνω εξίσωση.

Όλη η ενέργεια του συστήματος παραμένει σταθερή. Εάν χάνεται ενέργεια από το σύστημα, κερδίζεται από το περιβάλλον. Εάν η ενέργεια απορροφάται από το σύστημα, χάνεται από το περιβάλλον. η εξίσωση της μεταβολής της ενέργειας μπορεί να γραφτεί ως- 

ΔU (σύστημα) =−ΔU (περιβάλλον)

Το ΔUsystem είναι η αλλαγή στην ενέργεια του συστήματος και το ΔU περιβάλλον είναι η αλλαγή στην ενέργεια του περιβάλλοντος χώρου.

Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής για ένα ανοιχτό σύστημα

Σε ένα ανοιχτό σύστημα, τόσο η ενέργεια όσο και η ύλη μεταφέρονται μεταξύ του συστήματος και του περιβάλλοντός του. Ένα παράδειγμα τέτοιου συστήματος είναι η επεξεργασία άξονα.

Αδιαβατική διεργασία: Η διαδικασία κατά την οποία ένα σύστημα δεν επιτρέπει καμία μεταφορά ενέργειας και ύλης με το περιβάλλον. Ούτε χάνει ούτε κερδίζει ενέργεια, αλλά η εσωτερική ενέργεια του συστήματος μπορεί να αλλάξει λόγω του όγκου της εργασίας που γίνεται από το σύστημα.

Απομονωμένο σύστημα: Όπως υποδηλώνει το όνομα, το απομονωμένο σύστημα δεν επιτρέπει καμία μεταφορά ενέργειας και ύλης μεταξύ του περιβάλλοντος και δεν έχει περιβαλλοντικό περιβάλλον. Η ενέργεια ενός τέτοιου συστήματος διατηρείται.

Περιορισμοί του Πρώτου Νόμου της Θερμοδυναμικής

Ο νόμος ορίζει ότι διατηρείται ένα ενεργειακό ισοζύγιο σε ένα θερμοδυναμικό σύστημα. Αλλά αποτυγχάνει να εξηγήσει την αλλαγή της κατάστασης του συστήματος και τη σκοπιμότητα της θερμοδυναμικής διαδικασίας. Όλες αυτές οι έννοιες εξηγούνται από τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής.

Συμπέρασμα:

Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής μας βοηθά να κατανοήσουμε την έννοια της διατήρησης της ενέργειας. Ο νόμος εξηγεί την έννοια της ενέργειας, η οποία δεν μπορεί ούτε να δημιουργηθεί ούτε να καταστραφεί. Η ενέργεια που εισέρχεται σε ένα σύστημα είναι ίση με την ενέργεια που εξέρχεται από το σύστημα, ανεξάρτητα από τη μορφή του.