وضح العلاقة بين الشغل المبذول والتغير في الطاقة ، إذا كنا مهتمين بكيفية تحويل نقل الحرارة إلى عمل ، فإن مبدأ الحفاظ على الطاقة مهم. يطبق القانون الأول للديناميكا الحرارية مبدأ حفظ الطاقة على الأنظمة التي يكون فيها نقل الحرارة والقيام بالعمل هما طرق نقل الطاقة داخل وخارج النظام. و القانون الأول للديناميكا الحرارية ينص على أن التغير في الطاقة الداخلية للنظام يساوي صافي نقل الحرارة إلى نظام ناقص العمل صافي القيام به من قبل النظام. في شكل المعادلة، القانون الأول للديناميكا الحرارية هو Δ U = Q - W .، عروس يقدم لك العلاقة بين الشغل المبذول والتغير في الطاقة.

وضح العلاقة بين الشغل المبذول والتغير في الطاقة

هنا Δ U هو التغيير في الطاقة الداخلية U للنظام. Q هي صافي الحرارة المنقولة إلى النظام - أي ، Q هي مجموع كل عمليات نقل الحرارة داخل وخارج النظام. W هو صافي العمل الذي يقوم به النظام - أي W هو مجموع كل العمل المنجز على النظام أو بواسطته. نستخدم اصطلاحات العلامات التالية: إذا كانت Q موجبة ، فسيكون هناك انتقال حراري صافٍ إلى النظام ؛ إذا كانت W موجبة ، فسيكون هناك صافي عمل يقوم به النظام. لذا فإن Q الإيجابية تضيف الطاقة إلى النظام والإيجابية Wيأخذ الطاقة من النظام. وهكذا Δ U = Q - W . لاحظ أيضًا أنه في حالة حدوث المزيد من نقل الحرارة إلى النظام عن العمل المنجز ، يتم تخزين الفرق كطاقة داخلية. تعتبر المحركات الحرارية مثالًا جيدًا على ذلك - حيث يحدث انتقال الحرارة إليها حتى يتمكنوا من القيام بعملهم. (انظر الشكل 2) سنقوم الآن بفحص Q و W و Δ U بشكل أكبر.

إجراء الاتصالات: قانون الديناميكا الحرارية وقانون حفظ الطاقة

  • الحرارة س والعمل دبليو

نقل الحرارة ( Q ) والقيام بالعمل ( W) هما الوسيلتان اليوميتان لجلب الطاقة إلى النظام أو إخراج الطاقة منه. العمليات مختلفة تمامًا. نقل الحرارة ، وهي عملية أقل تنظيماً ، مدفوعة باختلافات درجة الحرارة. العمل ، عملية منظمة تمامًا ، يتضمن قوة عيانية تمارس من خلال مسافة. ومع ذلك ، يمكن أن تؤدي الحرارة والعمل إلى نتائج متطابقة ، على سبيل المثال ، يمكن أن يتسبب كلاهما في زيادة درجة الحرارة. يمكن أن يؤدي نقل الحرارة إلى نظام ، كما هو الحال عندما تقوم الشمس بتسخين الهواء في إطار دراجة ، إلى زيادة درجة حرارته ، وكذلك يمكن إنجاز العمل على النظام ، كما يحدث عندما يضخ راكب الدراجة الهواء في الإطار. بمجرد حدوث ارتفاع في درجة الحرارة ، من المستحيل معرفة ما إذا كان ناتجًا عن انتقال الحرارة أو عن طريق العمل. عدم اليقين هذا هو نقطة مهمة. يعتبر كل من نقل الحرارة والعمل طاقة في مرحلة العبور - ولا يتم تخزين أي منهما على هذا النحو في نظام. ومع ذلك،كلاهما يمكن أن يغير الطاقة الداخليةيو من النظام. الطاقة الداخلية هي شكل من أشكال الطاقة يختلف تمامًا عن الحرارة أو العمل.

  • الطاقة الداخلية يو

يمكننا التفكير في الطاقة الداخلية لنظام ما بطريقتين مختلفتين ولكنهما متسقتان. الأول هو المنظور الذري والجزيئي ، الذي يفحص النظام على المقياس الذري والجزيئي. و الطاقة الداخلية U نظام هي مجموع الطاقات الحركية والمحتملة للذرات والجزيئات. تذكر أن الطاقة الحركية بالإضافة إلى الطاقة الكامنة تسمى الطاقة الميكانيكية. وبالتالي فإن الطاقة الداخلية هي مجموع الطاقة الميكانيكية الذرية والجزيئية. نظرًا لأنه من المستحيل تتبع جميع الذرات والجزيئات الفردية ، يجب علينا التعامل مع المتوسطات والتوزيعات. الطريقة الثانية لعرض الطاقة الداخلية لنظام ما هي من حيث خصائصه العيانية ، والتي تشبه إلى حد بعيد القيم المتوسطة الذرية والجزيئية.
لقد تحققت العديد من التجارب التفصيلية من أن Δ U = Q - W ، حيث Δ U هو التغيير في إجمالي الطاقة الحركية والمحتملة لجميع الذرات والجزيئات في النظام. تم تحديد أيضًا بشكل تجريبي أن الطاقة الداخلية U لنظام ما تعتمد فقط على حالة النظام وليس كيفية وصوله إلى هذه الحالة . بشكل أكثر تحديدًا ، وجد أن U دالة لعدد قليل من الكميات العيانية (الضغط والحجم ودرجة الحرارة ، على سبيل المثال) ، بغض النظر عن التاريخ الماضي مثل ما إذا كان هناك انتقال للحرارة أو عمل تم إنجازه. يعني هذا الاستقلال أنه إذا عرفنا حالة النظام ، فيمكننا حساب التغييرات في طاقته الداخليةيو من عدد قليل من المتغيرات العيانية.

  • عمل التوصيلات: العيانية والميكروسكوبية

في الديناميكا الحرارية ، غالبًا ما نستخدم الصورة الماكروسكوبية عند إجراء حسابات حول سلوك النظام ، بينما تقدم الصورة الذرية والجزيئية التفسيرات الأساسية من حيث المتوسطات والتوزيعات. سنرى هذا مرة أخرى في أقسام لاحقة من هذا الفصل. على سبيل المثال ، في موضوع الانتروبيا ، سيتم إجراء الحسابات باستخدام العرض الذري والجزيئي.
للحصول على فكرة أفضل عن كيفية التفكير في الطاقة الداخلية لنظام ما ، دعونا نفحص نظامًا ينتقل من الحالة 1 إلى الحالة 2. يحتوي النظام على طاقة داخلية U 1 في الحالة 1 ، ولديه طاقة داخلية U 2 في الحالة 2 ، بغض النظر عن كيفية وصوله إلى أي من الدولتين. لذا فإن التغيير في الطاقة الداخلية Δ U = U 2 - U 1 مستقل عما تسبب في التغيير. بمعنى آخر ، Δ U مستقلة عن المسار . بالمسار ، نعني طريقة الانتقال من نقطة البداية إلى نقطة النهاية. لماذا هذا الاستقلال مهم؟ علما بأن Δ U = Q - W . كلاهما سو W يعتمدان على المسار ، لكن Δ U لا. يعني استقلالية المسار هذا أن الطاقة الداخلية U أسهل في الاعتبار من نقل الحرارة أو العمل المنجز.

  • مثال 1. حساب التغيير في الطاقة الداخلية: نفس التغيير في U ناتج عن عمليتين مختلفتين

يُظهر الجزء الأول نظامًا على شكل دائرة لأغراض الشرح. يتم تمثيل الحرارة الداخلة والعمل المنجز بواسطة أسهم جريئة. كمية الحرارة Q تساوي أربعين جول ، يظهر أنها تدخل النظام و Q out تساوي سالب خمسة وعشرين جول يظهر أنها تغادر النظام. يتم تمييز طاقة النظام في خمسة عشر جول. في الجانب الأيمن من الدائرة ، يظهر عمل W يساوي سالب أربعة جول مطبقًا على النظام والشغل W الذي يساوي عشرة جول يوضح أنه يترك النظام. يتم تمييز طاقة النظام الخارجة بستة جول. يُظهر الجزء الثاني من الصورة نظامًا على شكل دائرة لأغراض الشرح. يتم تمثيل الحرارة الداخلة والعمل المنجز بواسطة أسهم جريئة. يظهر عمل سالب مائة وتسعة وخمسين يدخل النظام.تظهر الطاقة في النظام على أنها مائة وتسعة وخمسون جول. الطاقة الخارجة للنظام مائة وخمسون جول. تبين أن الحرارة Q من سالب مائة وخمسين جول تترك النظام كسهم متجه للخارج.
عمليتان مختلفتان تنتجان نفس التغيير في النظام. (أ) يحدث ما مجموعه 15.00 J من نقل الحرارة في النظام ، بينما يأخذ العمل إجمالي 6.00 J. التغيير في الطاقة الداخلية هو ΔU = Q − W = 9.00 J. بينما يضع العمل 159.00 جول فيه ، مما ينتج عنه زيادة قدرها 9.00 جول في الطاقة الداخلية. إذا بدأ النظام في نفس الحالة في (أ) و (ب) ، سينتهي به الأمر في نفس الحالة النهائية في كلتا الحالتين - ترتبط حالته النهائية بالطاقة الداخلية ، وليس كيف تم الحصول على هذه الطاقة.