Product Design, Manufacturing & Innovation Resources

بيت » First Law of Thermodynamics

First Law of Thermodynamics

1850

Julius Robert von Mayer
James Prescott Joule
Hermann von Helmholtz
Rudolf Clausius

(صورة تم إنشاؤها للتوضيح فقط)

The First Law is a statement of the الحفاظ على الطاقة. It posits that the change in a closed system’s internal energy ([latex]\Delta U[/latex]) is equal to the heat supplied to the system ([latex]Q[/latex]) minus the work done by the system on its surroundings ([latex]W[/latex]). The governing equation is [latex]\Delta U = Q – W[/latex]. This law links heat, work, and internal energy, establishing heat as a form of energy transfer.

The First Law of Thermodynamics generalized the principle of conservation of energy, which was previously known in mechanics, to include heat. Its formulation was a major step in physics, as it definitively refuted the prevailing caloric theory, which considered heat a weightless fluid. Experiments by James Joule in the 1840s, which demonstrated the mechanical equivalent of heat, were crucial in establishing that heat and work are mutually convertible.

يقدِّم القانون الطاقة الداخلية ([latex]U[/latex]) كدالة حالة، ما يعني أن قيمتها تعتمد فقط على الحالة الحالية للنظام، وليس على كيفية وصوله إلى هذه الحالة. وعلى النقيض من ذلك، فإن الحرارة ([latex]Q[/latex]) والشغل ([latex]W[/latex]) هما كميتان تعتمدان على المسار. والصيغة التفاضلية للقانون هي [latex]TTdU = \delta Q - \delta W[/latex]. بالنسبة للعملية الدورية، حيث يعود النظام إلى حالته الابتدائية، فإن التغير في الطاقة الداخلية يساوي صفرًا ([latex] \Delta U = 0[/latex])، وبالتالي فإن الحرارة الكلية الموردة تساوي الشغل الكلي المبذول. هذا المبدأ هو أساس جميع المحركات الحرارية. وينطوي القانون أيضًا على استحالة وجود آلة دائمة الحركة من النوع الأول - أي الآلة التي تنتج شغلًا دون أي مدخلات طاقة.

تطوير المنتجات ذات الحلقة المغلقة, طاقة, الإنثالبي, المعالجة الحرارية, الهندسة الميكانيكية, تحسين العمليات, إدارة الجودة, الديناميكا الحرارية

UNESCO Nomenclature: 2212

- الديناميكا الحرارية والفيزياء الإحصائية والمادة المكثفة

يكتب

النظام التجريدي

الاضطراب

ثوري

الاستخدام

الاستخدام الواسع النطاق

السلائف

تحليل سعدي كارنو للمحركات الحرارية والدورات الديناميكية الحرارية
تجارب جيمس جول عن المكافئ الميكانيكي للحرارة
rejection of the caloric theory of heat
principle of conservation of energy in mechanics as formulated by Leibniz and others

التطبيقات

heat engines (internal combustion, steam turbines)
refrigerators, air conditioners, and heat pumps
chemical reaction analysis (enthalpy calculations)
power plant design and efficiency analysis
nutritional calorimetry for calculating food energy (calories)

براءات الاختراع:

أفكار ابتكارات محتملة

بسبب عمليات جمع البيانات من خلال برامج الروبوت، والتي تتجاوز حاليًا 40 ألفًا يوميًا، فإن هذا المحتوى مخصص لأعضاء المجتمع فقط.
> تسجيل الدخول < أو > سجل < (مجاني 100٪) للوصول إلى هذا، وكذلك جميع المحتويات والأدوات الأخرى المقيدة.

ذات صلة ب: القانون الأول، حفظ الطاقة، الطاقة الداخلية، الحرارة، الشغل، الديناميكا الحرارية، الإنثالبي، النظام المغلق، دالة الحالة، الحركة الدائمة.

السياق التاريخي

مختبر القرن التاسع عشر بأدوات الديناميكا الحرارية ومعادلات علاقة ماير.

علاقة ماير (الديناميكا الحرارية)

تربط علاقة ماير بين درجات الحرارة النوعية للغاز المثالي وثابت الغاز النوعي ([latex]T_s[/latex]). العلاقة هي [latex]c_p - c_v = R_s[/latex]. أما بالنسبة للحرارة النوعية المولية ([latex]C_p[/latex] و[latex]C_v[/latex])، فالعلاقة هي [latex]C_p - C_v = R[/latex]، حيث [latex]R[/latex] هو ثابت الغاز العام. وهذا يوضح أن [latex]c_p[/latex] دائمًا أكبر من [latex]c_v[/latex].

مختبر القرن التاسع عشر مع علماء فيزيائيين يدرسون مبادئ حفظ الطاقة.

الحفاظ على الطاقة

مبدأ أساسي ينص على أن الطاقة الكلية لنظام معزول تظل ثابتة بمرور الوقت. فالطاقة لا يمكن أن تُستحدث أو تفنى، بل تتحول فقط من صورة إلى أخرى، مثل التحول من طاقة وضع إلى طاقة حركية. في الميكانيكا الكلاسيكية، بالنسبة للأنظمة ذات القوى المحافظة فقط، تكون الطاقة الميكانيكية الكلية [latex]E = T + V[/latex] محفوظة.

إعداد مختبري لقياس لزوجة السوائل عند درجات حرارة متفاوتة في الديناميكا الحرارية.

اعتماد اللزوجة على درجة الحرارة

في السوائل النيوتونية، اللزوجة دالة لدرجة الحرارة والضغط، وليست معدل القص. في السوائل، تنخفض اللزوجة بشكل ملحوظ مع ارتفاع درجة الحرارة، لأن الطاقة الحرارية العالية تُمكّن الجزيئات من التغلب على قوى التماسك بين الجزيئات بسهولة أكبر. على العكس، في الغازات، تزداد اللزوجة مع ارتفاع درجة الحرارة، حيث تؤدي زيادة تصادمات الجزيئات بسرعات أعلى إلى زيادة انتقال الزخم.

First Law of Thermodynamics

كيميائي يجري تجارب على المواد الحفازة في مختبر قديم، 1850.

المحفز على التوازن الكيميائي

يزيد المحفز من معدل التفاعلات الأمامية والعكسية بالتساوي من خلال توفير مسار تفاعل بديل بطاقة تنشيط أقل. وبينما يسمح المحفز للنظام بالوصول إلى حالة التوازن بشكل أسرع، فإنه لا يغير موضع التوازن نفسه. وتظل تركيزات المتفاعلات والنواتج عند التوازن، وقيمة ثابت التوازن K، ثابتة.

عالم كيمياء من القرن التاسع عشر يقيس أحجام الغازات لتوضيح قانون الغاز المثالي في الديناميكا الحرارية.

قانون الغاز المثالي (الشكل المولي)

قانون الغاز المثالي هو معادلة الحالة لغاز مثالي افتراضي، وهو يقترب من سلوك العديد من الغازات في ظروف مختلفة. وتربط الصورة المولارية بين الضغط ([latex]P[/latex]) والحجم ([latex]V[/latex]) وكمية المادة بالمول ([latex]N[/latex]) ودرجة الحرارة المطلقة ([latex]T[/latex]) عبر ثابت الغاز العام ([latex]R[/latex]): [latex]PV = nRT1T[/latex].

جهاز مختبري لقياس ضغط البخار ودرجة الحرارة في الديناميكا الحرارية.

علاقة كلاوسيوس-كلابيرون

تصف علاقة كلاوزيوس-كلاوس-كلابيرون العلاقة بين الضغط ودرجة الحرارة لمادة ما في مرحلة انتقالية، مثل السائل والبخار. بالنسبة إلى بخار الماء، توضح هذه العلاقة أن ضغط بخار التشبع يزداد أسيًا مع درجة الحرارة. والصيغة التقريبية هي [latex] \frac{dp}{dT} = \frac{L}{T(V_v - V_l)} \approx \frac{L p}{R_v T^2}[/latex]، حيث L هي الحرارة الكامنة.

1842

1847

1850

1841

1845

1850

1851

عرض توضيحي لتسخين جول في مختبر عتيق بالأجهزة الكهربائية.

جول للتدفئة والطاقة الكهربائية

تسخين جول، أو التسخين الأومي، هو الظاهرة التي تنتج فيها الحرارة عن تيار كهربي يمر عبر موصل. ويعطى معدل توليد الحرارة، أو القدرة المبددة ([latex]P[/latex])، بموجب قانون جول الأول، [latex]P = VI[/latex]. وبالجمع بين ذلك وقانون أوم، يمكن التعبير عن القدرة على الصورة [latex]P = I^2 R[/latex] أو [latex]P = \frac{V^2}{R}[/latex].

جهاز مختبري لقياس الطاقة الداخلية والإنثالبي لغاز مثالي في الديناميكا الحرارية.

الطاقة الداخلية والمحتوى الحراري للغاز المثالي

بالنسبة إلى الغاز المثالي، تكون الطاقة الداخلية ([latex]U[/latex]) والإنثالبي ([latex]H[/latex]) دالتين لدرجة الحرارة فقط. وتُعطى تغيراتهما من خلال [latex]\Delta U = m c_v \Delta T[/latex] و[latex]\Delta H = m c_p \Delta T[/latex]، حيث [latex]c_v[/latex] و[latex]c_p[/latex] هما الحرارتان النوعيتان عند ثبات الحجم والضغط على التوالي، ويُفترض أنهما ثابتتان.

اللزوجة المرنة

اللزوجة المرنة هي خاصية للمواد التي تُظهر خصائص اللزوجة والمرونة معًا عند تعرضها للتشوه. المواد اللزجة، مثل العسل، تقاوم تدفق القص والانفعال خطيًا مع مرور الوقت عند تطبيق إجهاد. أما المواد المرنة، مثل الشريط المطاطي، فتنفعل عند شدها وتعود بسرعة إلى حالتها الأصلية بمجرد زوال الإجهاد. تحتوي المواد اللزجة المرنة على عناصر من كليهما.

عالم يقيس التسامي في مختبر عتيق، دراسة الديناميكا الحرارية.

إنثالبي التسامي

إنثالبي التسامي، [latex]\Delta H_{\text{sub}}[/latex]، هو الحرارة اللازمة لتحويل مول واحد من المادة من مادة ما من مادة صلبة إلى غاز عند درجة حرارة وضغط معينين. ووفقًا لقانون هيس، بما أن الإنثالبي دالة حالة، فإن هذا التغير في الطاقة هو مجموع إنثالبي الاندماج ([latex]\Delta H_\\{\text{{fus}}[/latex]) وإنثالبي التبخير ([latex]\Delta H_{\text{vap}}[/latex]).