Le leggi della termodinamica sono alcune delle leggi più importanti in tutta la fisica e capire come applicare ognuna di esse è un'abilità cruciale per qualsiasi studente di fisica.

La prima legge della termodinamica è essenzialmente una dichiarazione di conservazione dell'energia, ma ci sono molti usi per questa specifica formulazione che dovrai capire se vuoi risolvere problemi che coinvolgono cose come i motori termici.

Apprendimento quali sono i processi adiabatici, isobarici, isocorici e isotermici e come applicare la prima legge della termodinamica in queste situazioni, ti aiuta a descrivere matematicamente il comportamento di un sistema termodinamico mentre si evolve nel tempo.
Energia interna, lavoro e calore

La prima legge della termodinamica - come le altre leggi della termodinamica - richiede una comprensione di alcuni termini chiave. L'energia interna di un sistema
è una misura dell'energia cinetica totale e dell'energia potenziale di un sistema isolato di molecole; intuitivamente, questo quantifica semplicemente la quantità di energia contenuta nel sistema.

Lavoro termodinamico
è la quantità di lavoro che un sistema fa sull'ambiente, ad esempio, grazie all'espansione indotta dal calore di un gas che spinge un pistone verso l'esterno. Questo è un esempio di come l'energia termica in un processo termodinamico può essere convertita in energia meccanica ed è il principio fondamentale alla base del funzionamento di molti motori.

A sua volta, calore
o < em> energia termica
è il trasferimento di energia termodinamica tra due sistemi. Quando due sistemi termodinamici sono in contatto (non separati da un isolante) e sono a temperature diverse, il trasferimento di calore avviene in questo modo, dal corpo più caldo verso quello più freddo. Tutte e tre queste quantità sono forme di energia, e quindi sono misurate in joule.
La prima legge della termodinamica

La prima legge della termodinamica afferma che il calore aggiunto al sistema si aggiunge alla sua energia interna, mentre il lavoro svolto dal sistema riduce l'energia interna. Nei simboli, si utilizza ∆U
per indicare il cambiamento di energia interna, Q
per indicare il trasferimento di calore e W
per il lavoro svolto dal sistema e quindi la prima legge della termodinamica è:
∆U \u003d Q - W

La prima legge della termodinamica quindi collega l'energia interna del sistema a due forme di trasferimento di energia che possono aver luogo, e come tale è meglio pensare di come una dichiarazione della legge di conservazione dell'energia.

Eventuali modifiche all'energia interna del sistema derivano dal trasferimento di calore o dal lavoro svolto, con il trasferimento di calore al sistema e al lavoro fatto sul sistema per aumentare l'energia interna e trasferimento di calore dal sistema e lavoro fatto da
riducendo l'energia interna. L'espressione stessa è facile da usare e da capire, ma trovare espressioni valide per il trasferimento di calore e il lavoro fatto per usare nell'equazione può essere impegnativo in alcuni casi.
Esempio della prima legge della termodinamica

Calore i motori sono un tipo comune di sistema termodinamico che può essere utilizzato per comprendere le basi della prima legge della termodinamica. I motori termici essenzialmente convertono il trasferimento di calore in lavoro utilizzabile attraverso un processo in quattro fasi che prevede l'aggiunta di calore a un serbatoio di gas per aumentare la sua pressione, di conseguenza si espande in volume, la pressione si riduce man mano che il calore viene estratto dal gas e infine il gas che viene compresso (ovvero ridotto in volume) man mano che si lavora per riportarlo nello stato originale del sistema e ricominciare il processo.

Questo stesso sistema è spesso idealizzato come < em> ciclo di Carnot
, in cui tutti i processi sono reversibili e non comportano alcun cambiamento nell'entropia, con uno stadio di espansione isotermica (cioè alla stessa temperatura), uno stadio di espansione adiabatica (senza trasferimento di calore), uno stadio di compressione isotermica e uno stadio di compressione adiabatica per riportarlo allo stato originale.

Entrambi questi processi (il ciclo di Carnot idealizzato e il ciclo del motore termico) sono di solito tracciati su un PV
diagramma (chiamato anche diagramma della pressione-volume) e t queste due quantità sono correlate dalla legge del gas ideale, che stabilisce:
PV \u003d nRT

Dove P
\u003d pressione, V
\u003d volume, n
\u003d il numero di moli del gas, R
\u003d la costante del gas universale \u003d 8.314 J mol ^{−1 K −1 e T
\u003d temperatura. In combinazione con la prima legge della termodinamica, questa legge può essere utilizzata per descrivere le fasi di un ciclo del motore termico. Un'altra espressione utile fornisce l'energia interna U
per un gas ideale:
U \u003d \\ frac {3} {2} nRT Il ciclo del motore termico}

Un semplice approccio all'analisi del calore il ciclo del motore è di immaginare il processo che si svolge su una scatola a faccia in giù nel diagramma PV, con ogni fase che si svolge a una pressione costante (un processo isobarico) o un volume costante (un processo isocorico) .

Innanzitutto, a partire da V
_{1, viene aggiunto calore e la pressione aumenta da P
1 a P
2 e poiché il volume rimane costante, sai che il lavoro svolto è zero. Per affrontare questa fase del problema, crei due versioni della legge del gas ideale per il primo e il secondo stato (ricordando che V
e n
sono costanti): P
1 V
1 \u003d nRT
1 e P
2 V
1 \u003d nRT
2, quindi sottrarre il primo dal secondo per ottenere:
V_1 (P_2-P_1) \u003d nR (T_2 -T_1)}

Risoluzione per la modifica in la temperatura fornisce:
(T_2 - T_1) \u003d \\ frac {V_1 (P_2 - P_1)} {nR}

Se cerchi la variazione di energia interna, puoi inserirla nell'espressione per energia interna < em> U
per ottenere:
\\ begin {allineato} ∆U &\u003d \\ frac {3} {2} nR∆T \\\\ \\\\ &\u003d \\ frac {3} {2} nR \\ bigg ( \\ frac {V_1 (P_2 - P_1)} {nR} \\ bigg) \\\\ \\\\ &\u003d \\ frac {3} {2} V_1 (P_2 -P_1) \\ end {align}

Per la seconda fase del ciclo, il volume del gas si espande (e quindi il gas funziona) e viene aggiunto più calore nel processo (per mantenere una temperatura costante). In questo caso, il lavoro W
svolto dal gas è semplicemente la variazione di volume moltiplicata per la pressione P
_{2, che fornisce:
W \u003d P_2 (V_2 -V_1)}

E il cambiamento di temperatura si trova con la legge del gas ideale, come prima (tranne mantenere P
_{2 come costante e ricordando che il volume cambia), essere:
T_2 - T_1 \u003d \\ frac {P_2 (V_2 - V_1)} {nR}}

Se vuoi scoprire l'esatta quantità di calore aggiunto, puoi usare l'equazione specifica del calore a pressione costante per trovarla. Tuttavia, puoi calcolare direttamente l'energia interna del sistema a questo punto come in precedenza:
\\ begin {align} ∆U &\u003d \\ frac {3} {2} nR∆T \\\\ \\\\ &\u003d \\ frac { 3} {2} nR \\ bigg (\\ frac {P_2 (V_2 - V_1)} {nR} \\ bigg) \\\\ \\\\ &\u003d \\ frac {3} {2} P_2 (V_2 - V_1) \\ end {allineato}

Il terzo stadio è essenzialmente il contrario del primo stadio, quindi la pressione diminuisce a volume costante (questa volta V
_{2), e il calore viene estratto dal gas. Puoi lavorare attraverso lo stesso processo basato sulla legge del gas ideale e sull'equazione per l'energia interna del sistema per ottenere:
∆U \u003d - \\ frac {3} {2} V_2 (P_2 - P_1)}

Nota il segno meno principale questa volta perché la temperatura (e quindi l'energia) è diminuita.

Infine, l'ultimo stadio vede diminuire il volume mentre il lavoro viene eseguito sul gas e sul calore estratto in un processo isobarico, producendo un'espressione molto simile all'ultima volta per il lavoro, tranne con un segno meno iniziale:
W \u003d -P_1 (V_2 -V_1)

Lo stesso calcolo fornisce la variazione di energia interna di:
∆U \u003d - \\ frac {3} {2} P_1 (V_2 - V_1) Altre leggi della termodinamica

La prima legge della termodinamica è probabilmente la più utile dal punto di vista fisico per un fisico, ma le altre tre leggi principali valgono una breve menzione anche (sebbene siano trattati più dettagliatamente in altri articoli). La legge zeroth della termodinamica afferma che se il sistema A è in equilibrio termico con il sistema B e il sistema B è in equilibrio con il sistema C, allora il sistema A è in equilibrio con il sistema C.

La seconda legge degli stati termodinamici che l'entropia di qualsiasi sistema chiuso tende ad aumentare.

Infine, la terza legge della termodinamica afferma che l'entropia di un sistema si avvicina a un valore costante mentre la temperatura si avvicina allo zero assoluto.