2.5 Prvi zakon termodinamike

Termodinamički sustav

Termodinamički sustav određena je količina materije koja zauzima određeni ograničeni volumen. Npr., stlačeni plin u posudi s pomičnim klipom primjer je termodinamičkog sustava.

Materija ili tvar koju sadrži termodinamički sustav može biti u nekom od triju agregacijskih stanja. Materija je unutar termodinamičkog sustava jednoliko raspoređena i istog je kemijskog sastava u svim područjima sustava.

Stanje termodinamičkog sustava opisuju tlak, temperatura i volumen pa ih zato nazivamo termodinamičke veličine. Ako su te veličine jednake za sve dijelove sustava i ako se ne mijenjaju tijekom vremena, smatramo da je sustav u stanju termodinamičke ravnoteže.

Okolina

Zatvoreni sustav

Otvoreni sustav

Izolirani sustav

Termodinamički proces

Kružni proces ili termodinamički ciklus

Kada se nakon nekoliko termodinamičkih procesa termodinamički sustav vraća u početno stanje, kažemo da je sustav prošao kružni proces. Na kraju takvog kružnog procesa sva svojstva sustava jednaka su onima s početka procesa. Kružni proces prikazuje se u dijagramu, a usmjerenost kružnog procesa označen je strelicama na grafu.

Prvi zakon termodinamike

U cilindru s pomičnim klipom nalazi se plin, odnosno termodinamički sustav. Na klip je stavljen uteg. Kada se plin zagrijava, podižu se i klip i uteg.

Termodinamički sustav ima unutarnju energiju koja potječe od molekularnog gibanja čestica plina i potencijalne energije njihovih međudjelovanja. Unutarnja energija proporcionalna je temperaturi sustava. Povećanjem temperature sustava povećava se unutarnja energija sustava. Kako se dovodi toplina, tako raste temperatura, a samim time molekule plina još se brže gibaju.

Plin se širi i obavlja rad na utegu koji je u ovom slučaju dio okoline.

Prvi zakon termodinamike ustvari je zakon očuvanja energije, a njegova matematička formulacija glasi:

$Q=\mathrm{\Delta }U+W.$

Prilikom primjene prvog zakona termodinamike iznimno je važno pravilno uvrštavati predznake fizikalnih veličina!

Predznaci rada, topline i promjene unutarnje energije

Predznak topline - kada se termodinamičkom sustavu toplina dovodi iz okoline, tada je ona pozitivnog predznaka ili $Q>0,$ a ako sustav predaje toplinu, ona je negativnog predznaka ili $Q<0.$

Predznak rada - kada termodinamički sustav obavlja rad na okolini, tada je taj rad pozitivan ili $W>0,$ a ako okolina obavlja rad na termodinamičkom sustavu, kažemo da je rad negativan ili $W<0.$

Predznak promjene unutarnje energije - promjenu unutarnje energije sustava dobijemo iz formule koja opisuje prvi zakon termodinamike. Ovisno o predznacima $Q$ i $W,$ možemo dobiti povećanje unutarnje energije $\Delta U>0$ ili smanjenje unutarnje energije $\mathrm{\Delta }U<0.$ Naravno, predznak promjene unutarnje energije ovisi o iznosu početne i konačne unutarnje energije plina.

Za koliko se promijeni unutarnja energija sustava kojemu dovedemo $400\mathrm{kJ}$ topline i istodobno nad njim obavimo rad od $200\mathrm{kJ}?$

$200\mathrm{kJ}$

$-200\mathrm{kJ}$

 Ne obavlja se rad!

$600\mathrm{kJ}$

Pomoć:

Treba voditi računa o predznacima! Pogledajte dogovorena pravila o predznacima. Kad je rad pozitivan, a kad negativan?

Postupak:

Količina topline ima pozitivan predznak jer sustavu dovodimo toplinu i ona iznosi

$Q=300\mathrm{kJ}$.

Rad ima negativan predznak jer se nad sustavom obavlja rad i iznosi

$W=-200\mathrm{kJ}$.

Koristeći se prvim zakonom termodinamike

$Q=\mathrm{\Delta }U+W$ , dolazimo do:
$\Delta U=Q-W=400\mathrm{kJ}-(-200\mathrm{kJ})=600\mathrm{kJ}$

Prvi zakon termodinamike primjenjujemo u mogim termodinamičkim procesima. Pritom promjena unutarnje energije ne ovisi o smjeru procesa, već samo o početnom i konačnom stanju termodinamičkog sustava, a u kružnim procesima promjena unutarnje energije jednaka je nuli.

Adijabatski procesi

Primjenom prvog zakona termodinamike $Q=\mathrm{\Delta }U+W$ dolazimo do formule: $\mathrm{\Delta }U=-W$ ili $W=-\mathrm{\Delta }U.$

Sustav obavlja rad na okolini smanjenjem svoje unutarnje energije. Takav je primjer adijabatsko širenje ili ekspanzija plina.

Pri adijabatskoj kompresiji ili smanjenju volumena plina na sustavu se obavlja rad iz okoline.

Valja napomenuti kako se adijabatski procesi odvijaju relativno brzo te se tijekom procesa ne stigne izmijeniti toplina s okolinom.

Izotermni procesi

U izotermnim procesima tijekom promjene stanja plina nema promjene temperature. Ako nema promjene temperature, nema ni promjene unutarnje energije. Prema prvom zakonu termodinamike $\mathrm{\Delta }U=Q-W$ slijedi:

$0=Q-\mathrm{W.}$

Prema tome, imamo:

$Q=W.$

Toplina koja ulazi u sustav pretvara se u mehanički rad. Želimo li da neki stroj obavlja rad $W,$ zaključujemo kako je nužno stalno dovoditi toplinu $Q$.

Perpetuum mobile prve vrste

Jedan od načina na koji se može definirati prvi zakon termodinamike jest: perpetuum mobile prve vrste ne postoji!

Kutak za znatiželjne

Postoje mnoge tvrdnje kako je perpetuum mobile prve vrste ipak moguć. Navodno postoje i različiti uređaji i naprave koje to dokazuju. Istražite na videokanalu Youtube radove koji pretpostavljaju da perpetuum mobile postoji i razmislite o njihovoj izvedivosti. Na kanalu Youtube ima i mnoštvo uputa za izradu kućnog "vječnog stroja". Pokušajte sami izraditi neke jednostavne modele i provjerite rade li oni zaista.

Izohorni procesi

U izohornim procesima tijekom promjene stanja plina nema promjene volumena. Dakle $\mathrm{\Delta }V=0.$

U prethodnoj jedinici naučili smo kako će rad biti obavljen samo ako dođe do promjene volumena tijekom procesa. Dakle u ovom slučaju vrijedi $W=0.$​

Koristeći prvi zakon termodinamike dolazimo do:

$Q=\mathrm{\Delta }U+0.$

Toplina dovedena termodinamičkom sustavu tijekom izohornog procesa povećava unutarnju energiju termodinamičkog sustava.

$Q=\mathrm{\Delta }U.$