Toplota in temperatura fb
 

Prvi zakon termodinamike




Friderika Lavrič, avtor/ica gradiva, nudi inštrukcije fizike v naslednjih krajih: Ljubljana.

Skype Učitelj/ica omogoča inštrukcije tudi prek Skypa.


Prvi zakon termodinamike pravi, da je sprememba notranje energije opazovane snovi enaka dovedeni (ali odvzeti) toploti in delu.




Toplotno energijo dodajamo npr. s pomočjo plinskega gorilnika ali odvzemamo tako, da pustimo, da se ohlaja.


Prvi zakon termodinamike pravi, da se notranja energija snovi lahko spreminja zaradi prejete (ali oddane) toplote in prejetega ali oddanega dela:




Delo A je lahko pozitivno ali negativno:

  • Če je delo pozitivno, dodajamo snovi notranjo energijo. Primer pozitivnega dela je, če drgnemo železo ob železo npr. s pomočjo pile, stiskamo zrak v zračnico kolesa s pomočjo tlačilke. V obeh primerih mi opravimo delo in se zato notranja energija snovi poveča. Telo (ali plin) se segreje.

  • Če snov opravlja delo, je to delo negativno. V skladu z energijskim zakonom to namreč pomeni, da se manjša notranja energija snovi. Primer je železna palica, ki se ob segrevanju razteza in pri tem odrine drugo telo (opravi delo).


Zaradi enostavnosti bomo sedaj opazovali idealni plin (zanemarimo potencialno energijo med molekulami).


Ločeno bomo opazovali, kaj se zgodi, če plin segrevamo pri stalnem volumnu (npr. v zaprti posodi) ali pa pri stalnem tlaku (ki ga npr. določa sila teže bata, ki ga odriva plin pri razpenjanju.


Slika 1: segrevanje plina pri stalnem volumnu a) in stalnem tlaku b).



Segrevanje pri stalnem volumnu



Vzemimo idealni plin in ga segrevajmo. Najprej ga segrevamo v zaprti posodi, to je pri konstantnem volumnu - slika 1 a).


Celotna energija segrevanja gre v notranjo energijo plina, saj se plin zaradi konstantnega volumna ne more razpenjati, da bi opravljal delo.




Če snov (idealni plin) segrevamo pri stalnem volumnu, takrat nimamo opravljenega dela. Tedaj velja:




Specifični toploti smo dali indeks v zato, ker se proces vrši pri stalnem volumnu.


Segrevanje pri stalnem tlaku



V naslednjem koraku dopustimo, da se plin segreva in razpenja pri stalnem tlaku slika 1 b). V tem primeru je sprememba notranje energije v skladu z zakonom termodinamike enaka dovedeni toploti pri stalnem tlaku in delu, ki ga opravi snov pri razpenjanju.




Dodana toplota pri stalnen tlaku je:




Specifični toploti smo dali indeks p zato, ker se proces vrši pri stalnem tlaku p.


Ko se plin razpenja, se mu veča volumen in opravlja delo, npr premakne bat za za neko razdaljo. Za opravljeno delo se mu zmanša notranja energija, delo je torej negativno.




Enačba (1) se sedaj glasi:




Notranja energija pri segrevanju plina pri konstantnem tlaku se poveča za dovedeno toploto in zmanjša za delo, ki ga je opravil plin med razpenjanjem.


Če snov (idealni plin) segrevamo pri stalnem tlaku, se segreva in razpenja - opravlja delo:




Povezava med specifično toploto pri stalnem tlaku in pri stalnem volumnu



Namesto leve strani enačbe (3) uporabimo izraz za notranjo energijo (2). Na ta način lahko izpeljemo povezavo med specifično toploto pri stalnem tlaku in specifično toploto pri stalnem volumnu .


Zamislimo si, da na enak način segrevamo sistem najprej pri enakem volumnu in nato še pri enakem tlaku. Sprememba notranje energije je v obeh primerih enaka:



Specifična toplota pri stalnem tlaku je vedno večja, kot pri stalnem volumnu. Pri stalnem tlaku se plin namreč razpenja in opravlja delo.


Za idealni plin je povezava med specifično toploto pri stalnem tlaku in stalnem volumnu:




Specifična toplota pri stalnem tlaku pa je (velja za idealni plin):




Tu je R splošna plinska konstanta in M kilomolska masa.



Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »



glavni avtor in urednik gradiva: Satcitananda podjetje za proizvodnjo, trgovino in izobraževanje d.o.o., Ljubljana