4 Pierwsza zasada termodynamiki

opracował: Jacek Izdebski
http://matfiz.klub.chip.pl
W technice spotyka się jeszcze inne pojęcia mocy. Przykładem może być
moc obliczeniowa komputerów. Wielkość ta mówi o ilości operacji matematycznych wykonywanych w jednostce czasu. Zatem sam widzisz, że sens pojęcia jest podobny. Wymyśl zatem co mogłaby wyrażać moc produkcyjna
maszyny robiącej pierogi . . .
4
Pierwsza zasada termodynamiki
Myślę, że przeszedłeś już dostatecznie wiele zmagań z fizyką aby poznać kilka
pojęć termodynamicznych.
4.1
Temperatura
W języku potocznym temperatura i ciepło są często używane zamiennie,
ich znaczenie także nie jset takie samo jak w fizyce. Jak zatem zdefiniować
precyzyjnie te pojęcia by stały się przydatne do opisu świata?
Wyobraź sobie, że jakimś cudem potrafisz zmniejszać przedmioty i organizmy żywe (wiem, że to już było u Disneya i dawno się przejadło). Kożystając
z tej cudownej właściwości zmniejszasz się jakieś 100 000 000 razy. Gdy masz
stokilkadziesiąt mikronów wzrostu wtedy bakterie są dla Ciebie niczym Pałac Kultury, a atomami możesz grać w pingponga. O atomach i cząsteczkach
jakie tworzą, opowiem w następnych rozdziałach. Teraz pamiętaj, że atomy
są cegiełkami, z których zbudowany jest otaczający Cię świat materialny.
Gdybyś miał możliwość zobaczenia atomów tworzących świat dostrzegłbyś,
że nie leżą one równiutko w wyznaczonych miejscach, ale nieustannie drgają.
Widziałbyś też, że w czasie upałów drgania są większe niż wtedy gdy jest
zimno. Teraz do wyjaśnienia pojęcia temperatury został tylko mały kroczek.
Temperatura jest wielkością fizyczną reprezentującą intensywność ruchów
cieplnych cząsteczek tworzących dane ciało.
Do pomiaru temperatur w życiu codziennym używa się termometrów, których
zasad działania nie będę tu opisywał. Ważne jest jednak abyś zapamiętał, że
w Polsce i większości krajów na Świecie, popularne są dwie skale temperatur
– Celcjiusza i Kelvina.
skala
punkt wzorcowy
Celcjiusza punkt zamarzania wody=0o C
Kelvina
zero bezwzględne=0 K
punkt wzorcowy
punkt wrzenia
wody=100o C
punkt potrójny
wody=273,16 K
7
zastosowanie
w życiu codziennym
w nauce i technice
opracował: Jacek Izdebski
http://matfiz.klub.chip.pl
4.2
Ciepło
Omówienie pojęcia ciepła jest o wiele łatwiejsze.
Ciepło to forma przekazywania energii termicznej.
Teraz opiszę to praktycznie. Masz dwa ciała, np. cegły i jedną z nich ogrzejesz
tak by była wyraźnie cieplejsza niż druga. Potem położysz te dwie cegły o
różnych temperaturach jedna na drugiej to po pewnym czasie zaobserwujesz,
że . . .
Temperatura cieplejszej cegły spadła (jej cząsteczki straciły energię i drgają
słabiej) a chłodniejszej wzrosła (cząsteczki drgają mocniej – energia kinetyczna drgań wzrosła). Gdy cegły dotykały się dużymi powierzchniami wtedy
mocno drgające cząsteczki w bezpośrednich zderzeniach oddały część swojej
energii słabo drgającym cząsteczkom chłodniejszej cegły. I to był właśnie poglądowy opis wymiany ciepła – energii, która przepływa od ciała o wyższej
temperaturze do ciała o temperaturze niższej. Taki proces będzie zachodził
do momentu wyrównania się temperatur.
4.3
I zasada termodynamiki
Myślę, że teraz jest odowiednia chwila aby wrócić do głównego tematu, czyli pierwszej zasady termodynamiki. W rzeczywistości nie powiem tutaj nic
nowego ponieważ jest to tylko inne sformułowanie zasady zachowania energii
(patrz rozdział 2).
I zasada termodynamiki – Zmiana energii wewnętrznej jest równa sumie
pracy wykonanej przez układ bądź nad układem i ciepła dostarczonego
lub oddanego przez układ.
Oznacza to, że zmienić energię wewnętrzną ciała (czyli sprawić by jego cząsteczki zaczęły drgać mocniej lub słabiej) można na dwa sposoby:
• dodając lub odbierając ciepło (przez umieszczenie ciała na grzejniku
lub chłodnicy)
• wykonując pracę
Może Ci się wydać dziwne, że energię wewnętrzną ciała można zmienić przez
wykonanie pracy, ale jest to bardzo proste do wykonania. Jeśli np. weźmiesz
kawałek drutu i będziesz go zginał w jednym miejscu raz w lewo raz w prawo
to po pewnym czasie ułamie się on ale końce będą ciepłe. Zatem nastąpił
wzrost energii wewnętrznej drutu co przejawiło się wzrostem temperatury.
8