החוק הראשון של התרמודינמיקה
הוצג| English | משמעות |
|---|---|
| first law of thermodynamics/fɜːst lɔː ɒv ˌθɜːməʊdaɪˈnæmɪks/ | חוק ראשון של התרמודינמיקה |
| internal energy/ɪnˈtɜːnl ˈenədʒi/ | אנרגיה פנימית |
גז לא יכול ליצור אנרגיה מאפס
- לחמם גז במכל ולדחוף בוכנה, ולבצע עבודה מועילה.
- אך הוא יכול לשחרר רק כמות אנרגיה ששווה לזו שהתקבלה — לא יותר.
- האנרגיה נשמרת, גם עבור חלקיקי גז רועדים.
- ספרנות זו היא חוק ראשון של התרמודינמיקה.
החוק הראשון
- האנרגיה הפנימית $U$ של גז היא הסך הכולל של האנרגיה הקינטית של חלקיקיו.
- החוק הראשון: $\Delta U = Q - W$.
- $Q$ הוא החום שנוסף לגז; $W$ היא העבודה שנעשתה על ידי הגז.
- זהו פשוט שימור האנרגיה המופעל על גז.
חום, עבודה ואנרגיה פנימית
תן לגז להתפשט נגד בוכנה וראה אנרגיה יוצאת כעבודה בעוד שחום זורם פנימה.
גז סופ█ $500\ \text{J}$ של חום ועושה $200\ \text{J}$ של עבודה. מהו השינוי באנרגיה הפנימית שלו, בג'ואל?
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
$\Delta U = Q - W = 500 - 200 = 300\ \text{J}$.
החוק הראשון של התרמודינמיקה הוא למעשה ניסוח של:
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
$\Delta U = Q - W$ הוא שמירת אנרגיה המוגדרת לגז.
לאן האנרגיה הולכת
- הוספת חום מבלי לבצע עבודה: כל הכמות מגבירה את האנרגיה הפנימית ($\Delta U = Q$).
- תן לגז להתפשט ולדחוף בוכנה: חלק מהאנרגיה יוצאת כ-עבודה, ולכן $U$ עולה פחות.
- דחס את הגז (עבודה שנעשתה עליו): האנרגיה הפנימית שלו עולה.
- הגז הוא פשוט חשבון אנרגטי: חום נכנס, עבודה יוצאת, והשאר הוא $\Delta U$.
גז סופ█ $400\ \text{J}$ של חום אך אינו עושה עבודה (מיכל קשיח). מהו $\Delta U$, בג'ואל?
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
עם $W = 0$, $\Delta U = Q = 400\ \text{J}$ — כל החום מעלה את האנפיה הפנימית.
אנרגיה פנימית וטמפרטורה
- לגז אידיאלי, האנרגיה הפנימית תלויה רק ב-טמפרטורה.
- יותר אנרגיה פנימית משמעותה חלקיקים מהירים יותר, ולכן טמפרטורה גבוהה יותר.
- לכן $\Delta U > 0$ אומר שהגז התחמם; $\Delta U < 0$ אומר שהוא קר.
- חימום מבלי להשאירו להתפשט הוא הדרך המהירה ביותר להעלות את טמפרטורתו.
לגז אידיאלי, האנפיה הפנימית תלויה רק ב-____ שלו.
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
האנפיה הפנימית היא האנרגיה הקינטית של החלקיקים, העוקבת אחר הטמפרטורה.
ערך חיובי של $\Delta U$ לגז אידיאלי משמעותו שהגז התחמם.
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
אנפיה פנימית גבוהה יותר משמעות חלקיקים מהירים וטמפרטורה גבוהה יותר.
שמו לב לסימנים. $W$ ב$\Delta U = Q - W$ מייצג העבודה שנעשתה על ידי הגז (חיובית כשהוא מתפשט). חום נוסף הוא חיובי $Q$; חום שנשלף הוא שלילי. בלבול בין "עבודה על ידי" ו"עבודה על" הגז הוא השגיאה הקלאסית בקשר לקורא החמיש.
ב-$\Delta U = Q - W$, סמן את כולן האמרות הנכונות בנוגע לסימנים.
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
$Q$ הוא החום שנוסף, $W$ היא עבודה על ידי הגז (חיובית בהתרחבות); דחיסה מבצעת עבודה על הגז, ומעלה את $U$.
גז סופב $500\ \text{J}$ חום ועושה $200\ \text{J}$ עבודה בדחיפת בוכנה החוצה.
- $\Delta U = Q - W = 500 - 200 = 300\ \text{J}$.
האנרגיה הפנימית עולה ב-$300\ \text{J}$, ולכן הגז נותר חם יותר.
הקורא הראשון בתרמודינמיקה הוא שימור האנרגיה עבור גז: $\Delta U = Q - W$, כאשר $Q$ הוא חום נוסף ו$W$ היא עבודה שנעשתה על ידי הגז. לגז אידיאלי, אנרגיה פנימית תלויה רק בטמפרטורה, כך ש$\Delta U > 0$ אומר שהוא התחמם.