Wat Is De Eerste Wet Van De Thermodynamica?

{h1}

De eerste wet van de thermodynamica stelt dat energie niet kan worden gecreëerd of vernietigd, maar het kan van de ene locatie naar de andere worden overgedragen en worden omgezet in en van andere vormen van energie.

De eerste wet van de thermodynamica stelt dat warmte een vorm van energie is, en thermodynamische processen zijn daarom onderworpen aan het principe van behoud van energie. Dit betekent dat warmte-energie niet kan worden gemaakt of vernietigd. Het kan echter van de ene locatie naar de andere worden overgedragen en worden omgezet naar en van andere vormen van energie.

Thermodynamica is de tak van de natuurkunde die zich bezighoudt met de relaties tussen warmte en andere vormen van energie. In het bijzonder beschrijft het hoe thermische energie wordt omgezet in en van andere vormen van energie en hoe het de materie beïnvloedt. De fundamentele principes van de thermodynamica komen tot uiting in vier wetten.

"De eerste wet zegt dat de interne energie van een systeem gelijk moet zijn aan het werk dat wordt gedaan aan het systeem, plus of min de warmte die in of uit het systeem stroomt en ander werk dat op het systeem wordt gedaan., "zei Saibal Mitra, een professor in de fysica aan de Missouri State University. "Dus, het is een herwerking van het behoud van energie."

Mitra vervolgde: "De verandering in de interne energie van een systeem is de som van alle energie-inputs en -outputs van en naar het systeem, net als hoe alle stortingen en opnames die u maakt de veranderingen in uw banksaldo bepalen." Dit wordt wiskundig uitgedrukt als: ΔU = Qw, waar ΔU is de verandering in de interne energie, Q is de warmte die aan het systeem is toegevoegd, en w is het werk gedaan door het systeem.

Geschiedenis

Wetenschappers in de late 18e en vroege 19e eeuw volgden de calorische theorie, voor het eerst voorgesteld door Antoine Lavoisier in 1783, en verder versterkt door het werk van Sadi Carnot in 1824, volgens de American Physical Society. De calorische theorie behandelde warmte als een soort vloeistof die van nature van hete naar koude gebieden stroomde, net zoals water van hoge naar lage plaatsen stroomt. Toen deze calorische vloeistof uit een heet naar een koud gebied stroomde, kon het worden omgezet in kinetische energie en zo veel worden gemaakt dat het vallende water een waterrad zou kunnen drijven. Pas in 1879 publiceerde Rudolph Clausius 'The Mechanical Theory of Heat' dat de calorische theorie eindelijk tot rust was gekomen.

Thermodynamische systemen

Energie kan in twee delen worden verdeeld, volgens David McKee, een professor in de fysica aan de Missouri Southern State University. Een daarvan is onze macroscopische bijdrage op menselijke schaal, zoals een zuiger die beweegt en een systeem van gas aandrijft. Omgekeerd gebeuren dingen op een heel kleine schaal waarbij we de individuele bijdragen niet kunnen bijhouden.

McKee legt uit: "Wanneer ik twee metaalmonsters tegenover elkaar leg, en de atomen aan de rand rond elkaar rammelen, en twee atomen in elkaar stuiteren, en de ene komt sneller dan de andere, dan kan ik het niet houden Het gebeurt op een zeer kleine tijdschaal en een zeer kleine afstand, en het gebeurt vele, vele malen per seconde. Dus, we delen gewoon alle energieoverdracht in twee groepen: de dingen die we gaan bijhouden en de dingen die we niet zullen volgen, de laatste is wat we warmte noemen. '

Thermodynamische systemen worden over het algemeen beschouwd als open, gesloten of geïsoleerd. Volgens de Universiteit van Californië, Davis, wisselt een open systeem vrijelijk energie en materie uit met zijn omgeving; een gesloten systeem wisselt energie uit, maar doet er niet toe met zijn omgeving; en een geïsoleerd systeem ruilt geen energie of materie met zijn omgeving. Een pan met kokende soep ontvangt bijvoorbeeld energie van de kachel, straalt warmte uit de pan en stoot materie uit in de vorm van stoom, die ook warmte-energie wegvoert. Dit zou een open systeem zijn. Als we de pot goed afsluiten, zou het nog steeds warmte-energie uitstralen, maar zou het geen materie meer uitstralen in de vorm van stoom. Dit zou een gesloten systeem zijn. Als we de soep echter in een perfect geïsoleerde thermosfles zouden gieten en het deksel zouden verzegelen, zou er geen energie of materie in of uit het systeem komen. Dit zou een geïsoleerd systeem zijn.

In de praktijk kunnen echter perfect geïsoleerde systemen niet bestaan. Alle systemen brengen energie over naar hun omgeving door straling, ongeacht hoe goed geïsoleerd ze zijn. De soep in de thermoskan blijft maar een paar uur warm en zal de volgende dag op kamertemperatuur komen. In een ander voorbeeld kunnen witte dwergsterren, de hete overblijfselen van uitgebrande sterren die niet langer energie produceren, worden geïsoleerd door lichtjaren van bijna perfect vacuüm in de interstellaire ruimte, maar uiteindelijk zullen ze afkoelen van enkele tienduizenden graden tot bijna het absolute nulpunt door energieverlies door straling. Hoewel dit proces langer duurt dan het huidige tijdperk van het universum, kan het niet worden gestopt.

Verwarm motoren

De meest gebruikelijke praktische toepassing van de Eerste Wet is de warmtekrachtbron. Warmtemotoren zetten thermische energie om in mechanische energie en omgekeerd. De meeste hittemotoren vallen in de categorie open systemen. Het basisprincipe van een warmtebron benut de relaties tussen warmte, volume en druk van een arbeidsfluïdum. Deze vloeistof is meestal een gas, maar in sommige gevallen kan het tijdens een cyclus faseveranderingen van gas naar vloeistof en terug naar een gas ondergaan.

Wanneer gas wordt verwarmd, zet het uit; wanneer dat gas echter wordt opgesloten, neemt het toe in druk. Als de bodemwand van de opsluitingskamer de bovenkant van een beweegbare zuiger is, oefent deze druk een kracht uit op het oppervlak van de zuiger waardoor deze naar beneden beweegt.Deze beweging kan dan worden gebruikt om werk te doen dat gelijk is aan de totale kracht uitgeoefend op de bovenkant van de zuiger maal de afstand die de zuiger beweegt.

Er zijn talloze variaties op de basis-warmtekrachtbron. Stoommotoren vertrouwen bijvoorbeeld op externe verbranding om een ​​keteltank te verwarmen die het arbeidsfluïdum bevat, typisch water. Het water wordt omgezet in stoom en de druk wordt vervolgens gebruikt om een ​​zuiger aan te drijven die warmte-energie omzet in mechanische energie. Automobielmotoren gebruiken echter interne verbranding, waarbij vloeibare brandstof wordt verdampt, vermengd met lucht en aangestoken in een cilinder boven een beweegbare zuiger die deze naar beneden drijft.

Koelkasten, airconditioners en warmtepompen

Koelkasten en warmtepompen zijn warmtemotoren die mechanische energie omzetten in warmte. De meeste hiervan vallen in de categorie gesloten systemen. Wanneer een gas wordt gecomprimeerd, neemt de temperatuur toe. Dit hete gas kan dan warmte overdragen naar zijn omgeving. Dan, wanneer het gecomprimeerde gas de gelegenheid krijgt om uit te zetten, wordt de temperatuur ervan kouder dan het was voordat het werd gecomprimeerd omdat een deel van zijn warmte-energie werd verwijderd gedurende de hete cyclus. Dit koude gas kan dan warmte-energie uit zijn omgeving absorberen. Dit is het werkprincipe achter een airconditioner. Airconditioners produceren niet echt koud; ze verwijderen warmte. Het arbeidsfluïdum wordt door een mechanische pomp naar buiten overgebracht, waar het door compressie wordt verwarmd. Vervolgens brengt het die warmte over naar de buitenomgeving, meestal via een luchtgekoelde warmtewisselaar. Vervolgens wordt het binnenshuis teruggebracht, waar het kan expanderen en koelen zodat het warmte van de binnenlucht via een andere warmtewisselaar kan opnemen.

Een warmtepomp is gewoon een airconditioner die achteruit loopt. De warmte van de samengeperste werkvloeistof wordt gebruikt om het gebouw te verwarmen. Vervolgens wordt het naar buiten overgebracht, waar het uitzet en koud wordt, waardoor het warmte van de buitenlucht kan opnemen, wat zelfs in de winter meestal warmer is dan de koude werkvloeistof.

Luchtbehandelings- en warmtepompsystemen met geothermische of grond- bron maken gebruik van lange U-vormige buizen in diepe putten of een reeks horizontale buizen begraven in een groot gebied waardoorheen het werkfluïdum wordt gecirculeerd en warmte wordt overgedragen naar of van de aarde. Andere systemen gebruiken rivieren of oceaanwater om de werkvloeistof te verwarmen of af te koelen.

Extra middelen

Hier zijn drie andere verklaringen van de eerste wet van de thermodynamica:

  • Glenn Research Center van NASA
  • HyperFysics-website van de Georgia State University
  • De universiteit van Californië, Davis 'ChemWiki


Video Supplement: Eerste Hoofdwet van de Thermodynamica.




WordsSideKick.com
Alle Rechten Voorbehouden!
Reproductie Van Materialen Toegestaan Alleen Prostanovkoy Actieve Link Naar De Site WordsSideKick.com

© 2005–2019 WordsSideKick.com