ΠΡΩΤΟΣ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΟΣ ΝΟΜΟΣ

ΠΡΩΤΟΣ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΟΣ ΝΟΜΟΣ

ΠΡΩΤΟΣ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΟΣ ΝΟΜΟΣ

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

 Θεωρούμε ένα αέριο που μεταβαίνει από μια αρχική κατάσταση σε μια άλλη.Έστω ότι κατά τη διάρκεια αυτής της μεταβολής το αέριο απορρόφησε ποσό θερμότητας Q και ότι το έργο που παράγει το αέριο κατά τη μεταβολή αυτή είναι W.

Ποσότητα αερίου θερμαίνεται και κατά την διάρκεια της μεταβολής του παράγει έργο

 Η θερμότητα που προσφέρθηκε στο αέριο μετασχηματίζεται σε ενέργεια άλλης μορφής.Ένα μέρος της μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να αυξήσει την εσωτερική ενέργεια του αερίου και το υπόλοιπο μετατρέπεται σε μηχανικό έργο.

Η θερμότητα που προσφέρθηκε στο αέριο μετασχηματίζεται σε ενέργεια άλλης μορφής.Ένα μέρος της μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να αυξήσει την εσωτερική ενέργεια του αερίου και το υπόλοιπο μετατρέπεται σε μηχανικό έργο

 Το ποσό της θερμότητας που προσφέρεται στο αέριο,η μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας του αερίου και το έργο που παράγει το αέριο συνδέονται μεταξύ τους με τη σχέση:

                                                                                       Q=ΔU+W

 Η σχέση Q=ΔU+W αποτελεί τον πρώτο θερμοδυναμικό νόμο.

ΔΙΑΤΥΠΩΣΗ ΤΟΥ ΠΡΩΤΟΥ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΟΥ ΝΟΜΟΥ

 Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής είναι μια άλλη διατύπωση της αρχής διατήρησης της ενέργειας και γι' αυτό ούτε αποδεικνύεται ούτε μπορεί να εξαχθεί από άλλους νόμους.Είναι απλώς μια γενίκευση των αποτελεσμάτων που προέρχονται από μετρήσεις σε φαινόμενα,όπου ανταλλάσσονται ποσά θερμικής ενέργειας και εκφράζει το γεγονός ότι η ενέργεια διατηρείται.

Η δεξαμενή τροφοδοτείται από κάποια πηγή και δίνει νερό σε δίκτυο,μέσω αγωγού.Η δεξαμενή παίζει το ρόλο του θερμοδυναμικού συστήματος.Το νερό μέσα στη δεξαμενή αντιστοιχεί στην εσωτερική ενέργεια,το νερό που εισέρχεται στη θερμότητα και το νερό που εξέρχεται στο μηχανικό έργο

 Η μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας ενός συστήματος κατά ΔU εμφανίζεται με τη μορφή μιας οργανωμένης ποσότητας ενέργειας W και μιας ανοργάνωτης ποσότητας ενέργειας Q την οποία ονομάζουμε θερμότητα.Την θερμότητα την ονομάζουμε ανοργάνωτη γιατί οι φορείς της ενέργειας αυτής (π.χ.τα μόρια) κινούνται κατά άτακτο τρόπο.Άρα:

                                                                                       ΔU=Q-W

 Συνεπώς ισχύει Q=ΔU+W.

 Ο πρώτος θερμοδυναμικός  νόμος διατυπώνεται ως εξής:

 Η θερμότητα Q,δηλαδή η ενέργεια που μεταφέρεται σ' ένα σύστημα από το περιβάλλον λόγω διαφοράς θερμοκρασίας,είναι ίση με το άθροισμα της μεταβολής της εσωτερικής ενέργειας του συστήματος ΔU και της ενέργειας που μεταφέρεται μέσω έργου W από το σύστημα στο περιβάλλον. 

Η θερμότητα Q,δηλαδή η ενέργεια που μεταφέρεται σ' ένα σύστημα από το περιβάλλον λόγω διαφοράς θερμοκρασίας,είναι ίση με το άθροισμα της μεταβολής της εσωτερικής ενέργειας του συστήματος ΔU και της ενέργειας που μεταφέρεται μέσω έργου W από το σύστημα στο περιβάλλον

 Έτσι η μαθηματική διατύπωση του πρώτου θερμοδυναμικού νόμου έχει την απλή μορφή:

                                                                                       Q=ΔU+W

όπου:

Q η προσφερόμενη θερμότητα στο σύστημα

ΔU η μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας του συστήματος

W η ενέργεια που μεταφέρεται μέσω του μηχανικού έργου από το σύστημα στο περιβάλλον.

Το W έργο και επομένως η θερμότητα Q είναι διαφορετικά για τις δύο μεταβολές Ι και ΙΙ.Δηλαδή τα W και Q εξαρτώνται όχι μόνο από τις θέσεις Α και Β αλλά και από τους <<δρόμους>> Ι και ΙΙ που τις συνδέουν

  Ο πρώτος θερμοδυναμικός  νόμος ισχύει για κάθε μεταβολή που γίνεται μεταξύ καταστάσεων ισορροπίας,ανεξάρτητα από το αν οι ενδιάμεσες καταστάσεις είναι καταστάσεις ισορροπίας ή όχι.

 Πρέπει να σημειωθεί ότι ενώ,όπως είπαμε η ΔU είναι ίδια για τις δύο μεταβολές Ι και ΙΙ,το W έργο και επομένως η θερμότητα Q είναι διαφορετικά για τις δύο μεταβολές Ι και ΙΙ.Δηλαδή τα W και Q εξαρτώνται όχι μόνο από τις θέσεις Α και Β αλλά και από τους <<δρόμους>> Ι και ΙΙ που τις συνδέουν.

ΠΡΟΣΗΜΑ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ,ΕΡΓΟΥ ΚΑΙ ΜΕΤΑΒΟΛΗΣ ΤΗΣ ΕΣΩΤΕΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

 Αν ένα αέριο συμπιεστεί οπότε μεταφέρεται σ' αυτό ενέργεια μέσω του έργου W,τότε για το αέριο το έργο είναι θετικό,ενώ για το περιβάλλον που πρόσφερε την ενέργεια το έργο είναι αρνητικό.Αντίστροφα όταν ένα αέριο εκτονώνεται προσφέροντας ενέργεια στο περιβάλλον μέσω έργου W,τότε το έργο για το περιβάλλον είναι θετικό,ενώ για το αέριο αρνητικό.Επειδή οι μεταβολές των αερίων εφαρμόζονται στη μελέτη των θερμικών μηχανών οι οποίες θέλουμε να μας προσφέρουν ενέργεια μέσω του έργου W,θα θεωρούμε ότι το έργο κατά την εκτόνωση είναι θετικό και κατά την συμπίεση αρνητικό.

Διαγραμματική απεικόνιση του πρόσημου που δίνεται στην ενέργεια, όταν αποβάλλεται (-) ή απορροφάται από το σύστημα (+)

 Κατά την εφαρμογή του πρώτου θερμοδυναμικού νόμου πρέπει να έχουμε υπόψη μας ότι:

 Η θερμότητα Q:

α) Θεωρείται θετική (Q>0),όταν μεταφέρεται από το περιβάλλον στο σύστημα.

β) Θεωρείται αρνητική (Q<0),όταν μεταφέρεται από το σύστημα στο περιβάλλον.

 Το έργο W:

α) Θεωρείται θετικό (W>0),κατά την εκτόνωση του συστήματος.

β) Θεωρείται αρνητικό (W<0),κατά τη συμπίεση του συστήματος.

  Η μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας ΔU:

α) Είναι θετική (ΔU>0),όταν η εσωτερική ενέργεια του συστήματος αυξάνεται,δηλαδή όταν αυξάνεται η θερμοκρασία του.

β) Είναι αρνητική (ΔU<0),όταν η εσωτερική ενέργεια του συστήματος ελαττώνεται,δηλαδή ελαττώνεται η θερμοκρασία του.

ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ ΤΟΥ ΠΡΩΤΟΥ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΟΥ ΝΟΜΟΥ

 Η πρώτη υποψία για την ισχύ του πρώτου θερμοδυναμικού νόμου εμφανίστηκε από τις παρατηρήσεις του Γερμανού γιατρού R.Mayer.Αυτός παρατήρησε,ότι το φλεβικό αίμα που πήρε με αφαίμαξη από ασθενείς σε τροπικές χώρες είχε ανοικτό κόκκινο χρώμα παραπλήσιο σχεδόν με το αίμα των αρτηριών.Το γεγονός αυτό ο Mayer το ερμήνευσε ως εξής.
 Επειδή οι ασθενείς βρισκόταν σε θερμικά κλίματα κατανάλωναν λιγότερη τροφή και έτσι οι καύσεις στον οργανισμό τους ήταν λιγότερες με αποτέλεσμα περισσότερο οξυγόνο να κυκλοφορεί στο φλεβικό αίμα και να προκαλεί το ανοικτό χρώμα.Κατόπιν ο Mayer διατύπωσε την πρόταση ότι η ενέργεια που ελευθερώνεται από την καύση των τροφών είναι ίση με τη θερμότητα που αποβάλλει ο οργανισμός και την ενέργεια που αποδίδει μέσω έργου στο περιβάλλον.

Η ενέργεια που ελευθερώνεται από την καύση των τροφών είναι ίση με τη θερμότητα που αποβάλλει ο οργανισμός και την ενέργεια που αποδίδει μέσω έργου στο περιβάλλον

 Τώρα ξέρουμε,ότι η πρόταση αυτή του Mayer πρέπει να συμπληρωθεί και με τη μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας.Σαν εσωτερική ενέργεια στον οργανισμό θεωρούμε τη χημική ενέργεια που αποθηκεύεται στις πρωτεΐνες και έτσι τελικά η μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας μεταφράζεται σε μεταβολή του βάρους του οργανισμού.