قانون اول ترمودینامیک: تفاوت میان نسخه‌ها

محتوای حذف‌شده محتوای افزوده‌شده
1 ویرایش 46.21.81.173 (بحث) خنثی‌سازی شد. (توینکل)
جزبدون خلاصۀ ویرایش
خط ۵:
<center>U=مقدار ثابت</center>
 
اگر به سیستم اجازهٔ برهم‌کنش با [[محیط]] داده شود، سیستم از حالت ماکروسکوپی اولیهٔ خود به حالت ماکروسکوپی دیگری منتقل می‌شود که تغییر انرژی درونی را برای این تحول (فرآیندفرایند) می‌توان به شکل زیر نشان داد:
 
<center><math>\Delta{U}=Q+W</math></center>
 
که در این فرمول W، کار ماکروسکوپی انجام شده توسط سیستم در برابر نیروی خارجی و Q مقدار گرمای جذب شده توسط سیستم در طی این فرآیندفرایند است.
 
== نمادگذاری ==
خط ۱۷:
:<math>\mathrm{d}U=\delta Q-\delta W\,</math>
که در آن
:<math>\mathrm{d}U</math> یک افزایش [[بی‌اندازه کوچک]] در انرژی درونی سیستم است،
:<math>\delta Q</math> یک مقدار بی‌اندازه کوچک از گرما که به سیستم افزوده می‌شود،
:<math>\delta W</math> یک کار بی‌اندازه کوچک که بر روی سیستم انجام می‌شود و
:<math>\delta</math> نماد [[دیفرانسیل]] است.
در واقع تعریف قانون اول چنین است :
اگر به سیستمی گرما داده شود و یا از آن گرما گرفته شود، انرژی درونی سیستم تغییر خواهد نمود که حاصل آن کار انجام شده توسط سیستم و یا کار مورد نیاز سیستم برای تغییر انرژی درونی خواهد بود .
 
تاریخچه
 
فرایند توسعه قانون اول ترمودینامیک از طریق آزمایش ازنوع سعی وخطا در طی یک دوره در حدود نیم قرن بود.
اولین اظهارات کامل از قانون در سال 1850۱۸۵۰ توسط رودلف کلاوزیوس و ویلیام رانکین عنوان شد.
ادعاهای رانکین شاید کاملاکاملاً به واضح بودن و مشخص بودن بیانیه کلاوزیوس نبود.
(1۱) یکی از جنبه هایجنبه‌های اصلی مبارزه برای مقابله با نظریه کالری بود که قبلاقبلاً ارائه شده بود به عنوان " گرما".
ژرمن هس در سال 1840۱۸۴۰ یک قانون حفاظت به اصطلاح 'گرمای واکنش' برای واکنش هایواکنش‌های شیمیایی اعلام کرد.
(2۲) قانون او بعدها به عنوان یک نتیجه از قانون اول ترمودینامیک به رسمیت شناخته شد،
اما بیانیه هس را به صراحت با رابطه بین مبادلات انرژی توسط گرما و کار مرتبط نبود.
با توجه به Truesdell (1980)،
ژولیوس رابرت فون مایر در سال 1841۱۸۴۱ بیانیه ایبیانیه‌ای ساخت که بدان معنی است که "در یک فرایند در فشار ثابت،
حرارت مورد استفاده برای تولید انبساط که عموماعموماً قابیل تبدیل با کار است"،
اما این بیان کلی از قانون اول نبود. (3۳) (4۴)
 
بیانیه هایبیانیه‌های اصلی : "«رویکرد ترمودینامیکی"»
 
بیانیه هایبیانیه‌های اصلی قرن نوزدهم دربارهدربارهٔ قانون اول ترمودینامیک در یک چارچوب مفهومی ظاهرشد که در آن انتقال انرژی به صورت گرما به عنوان یک مفهوم اولیه تعریف نشده. یا سازمان دهی شده توسط توسعه نظری دریک چارچوب معین بلکه به نظر می رسد، می‌رسد،
قبل از آن بوده و در حال حاضر پذیرفته شده است. مفهوم اولیه حرارت گرفته شده است ازیک تجربه ثابت،
به ویژه از طریق گرماسنجی در نظر گرفته میشودمی‌شود به عنوان یک موضوع در حق خود، قبل از ترمودینامیک.
اشتراک اولیه دربارهدربارهٔ مفهوم حرارت مفاهیمی ازقبیل دمای تجربی و تعادل گرمایی بود.
این چارچوب یک مفهوم و فرض کلی نیست دربارهدربارهٔ انرژی،
اما به عنوان مشتق شده و یا سنتزشده از مفاهیم قبل از گرما و کار است.
توسط یک نویسنده این چارچوب به رویکرد "ترمودینامیکی" نامیده شده است.
(5۵) اولین بیانیه صریح و روشن از قانون اول ترمودینامیک،
توسط رودلف کلاوزیوس در سال 1850،۱۸۵۰، به فرآیندهای ترمودینامیکی چرخه نامیده می شودمی‌شود.
در تمام مواردی کاری با آژانس به واسطه حرارت تولید شده،
یک مقدار از گرما مصرف شده که متناسب با کار انجام شده.شده؛ و برعکس،
با مصرف یک مقدار برابر از کار مقدار مساوی از حرارت تولید می شودمی‌شود. [6۶]
کلاوزیوس همچنین قانونی در شکل دیگری بیان کرد، با اشاره به وجود یک تابع از حالت سیستم، انرژی داخلی،
و بیان کرد ان را به عنوان یک معادله دیفرانسیل برای افزایش یک فرایند ترمودینامیکی .
(7۷) این معادله ممکن است شرح داده شده بهصورت زیر:
در یک فرایند ترمودینامیکی شامل یک سیستم بسته،
افزایش در انرژی داخلی به تفاوت بین گرمای انباشته شده توسط سیستم و کار انجام شده توسط آن وابسته است.
مفهوم انرژی داخلی توسط Bailyn ملاحظه شد که بتواند "سود بزرگی " به حساب اید.
مقدار آن نمی تواندنمی‌تواند بلافاصله اندازه گیریاندازه‌گیری شود،
اما تنها می توانمی‌توان استنباط کرد به وسیله تفاضل اندازه گیریاندازه‌گیری واقعی فوری (تفاضل حالت اولیه ونهایی)
Bailyn آن را تشبیه کردبه موقعیت های
انرژی یک اتم، که توسط رابطه انرژی بور ‘ hν = En ' ' − En ''نشان داد شد' -
(در هر مورد، کمیت غیرقابل اندازه گیری )انرژی داخلی،
سطح انرژی اتمی( با در نظر گرفتن تفاوت از مقادیر اندازه گیری شده نشان داد )افزایش انرژی داخلی،
مقدار ساطع یا جذب انرژی تابشی. (8)
 
Bailyn آن را تشبیه کردبه موقعیت های موقعیت‌های
نسخه مفهومی: "رویکرد مکانیکی"
انرژی یک اتم، که توسط رابطه انرژی بور ‘ hν = En En ' ' − En En ''نشان داد شد' -
(در هر مورد، کمیت غیرقابل اندازهاندازه‌گیری) گیری )انرژی داخلی،
سطح انرژی اتمی( (با در نظر گرفتن تفاوت از مقادیر اندازه گیریاندازه‌گیری شده نشان داد ) افزایش انرژی داخلی،
مقدار ساطع یا جذب انرژی تابشی. (8۸)
 
نسخه مفهومی: "«رویکرد مکانیکی"»
در سال 1907، جورج اچ برایان نوشت: در مورد سیستم های که در بینشان انتقال ماده وجود ندارد( سیستم بسته).
 
در سال 1907،۱۹۰۷، جورج اچ برایان نوشت: در مورد سیستم هایسیستم‌های که در بینشان انتقال ماده وجود ندارد( (سیستم بسته).
تعریف: هنگامی که انرژی جریان میابد از یک سیستم و یا بخشی از یک سیستم ،
 
در غیر این صورت نسبت به عملکرد کار مکانیکی، بنابراین انرژی انتقال یافته می شود گرما. "(9)
تعریف: هنگامی که انرژی جریان میابد از یک سیستم و یا بخشی از یک سیستم ، سیستم،
تا حد زیادی از طریق نفوذ ماکس بورن، (10) در قرن بیستم،
در غیر این صورت نسبت به عملکرد کار مکانیکی، بنابراین انرژی انتقال یافته می شودمی‌شود گرما. "(9۹)
تا حد زیادی از طریق نفوذ ماکس بورن، (10۱۰) در قرن بیستم،
نسبت به رویکرد مفهومی تجدید نظر شدو در تعریف گرما آمد و توسط بسیاری از نویسندگان، از جمله کنستانتین کاراتئودوری ترجیح داده شد. این ممکن است به نام "رویکرد مکانیکی نامیده شود".
(11۱۱) این رویکرد را به عنوان مفهوم ابتدایی انرژی انتقال یافته و به عنوان کار تعریف شده توسط مکانیک منتقل شده است.
از این رو، مفاهیم انتقال انرژی به صورت گرما برگرفته میشود، می‌شود،
و دما، به عنوان تحولات نظری است. این مورد گرماسنجی به عنوان یک نظریه برگرفته شده است.
این منشاءمنشأ در اوایل قرن نوزدهم، به عنوان مثال در کار هلمهولتز، (12۱۲) بلکه در کار بسیاری دیگر.
[5۵] برای این رویکرد، لازم است تا مطمئن شوید که اگر انتقال انرژی مرتبط با انتقال ماده وجود دارد ، دارد،
سپس انتقال انرژی به غیر از انتقال از ماده که توسط یک مسیر جسمی جداگانه،
و از انتقال انرژی توسط انتقال از ماده به طور مستقل تعریف و اندازه گیریاندازه‌گیری میشودمی‌شود
 
با توجه به رویکرد مکانیکی، مفهومی بیانیه تجدید نظر
 
این بیانیه تجدید نظر قانون برگرفته شده است از مفاهیم کار مکانیکی بی دررو،
و انتقال غیر آدیاباتیک از انرژی، به عنوان مفاهیم اولیه تجربی یا نظری .
این در مفهوم اولیه از دیوار، به خصوص دیوارهای بی دررو استوار، پیش فرض به عنوان جسمی قرارگرفته اندقرارگرفته‌اند.
انرژی می تواندمی‌تواند عبور مانند دیوار به عنوان تنها کار بی دررودررو، ، برگشت پذیربرگشت‌پذیر یا برگشت ناپذیربرگشت‌ناپذیر.
اگر انتقال انرژی به عنوان کار بین آنها مجاز نباشد،
دو سیستم از هم جدا شده به وسبله دیوار آدیاباتیک می تواندمی‌تواند به موقعیت داخلی مکانیکی مربوطه و
تعادل ترمودینامیکی مواد به طور کامل مستقل از یکدیگر بیایند. (13۱۳)
در این بیانیه تجدید نظر این طور بیان شده است:
 
برای یک سیستم بسته، در هر فرآیندفرایند خودسرانه فرعی که طول می کشدمی‌کشد ازحالت اولیه به یک حالت نهایی تعادل ترمودینامیکی داخلی،
تغییر انرژی درونی همان است که کار ادیاباتیک فرایند آن دوموقیت را مرتبط میکندمی‌کند.
این است که بدون در نظر گرفتن راه روند بهره و صرف نظر از اینکه آن بی دررو یا یک فرایند غیر آدیاباتیک است.
روند کار بی دررو مرجع ممکن است خودسرانه از میان کلاس از همه فرآیندهای انتخاب شده باشد.
این بیانیه بسیار کمتر نزدیک به پایه هایپایه‌های تجربی نسبت به اظهارات اصلی (14۱۴) است،
اما اغلب به عنوان مفهومی صرفه جو است که آن تنها بر مفاهیم کار بی دررو و فرآیندهای غیر آدیاباتیک استوار است،
نه بر مفاهیم انتقال انرژی که به صورت گرما و دمای تجربی که توسط اظهارات اصلی پیش فرض درنظرگرفته شده است.
تا حد زیادی از طریق نفوذ ماکس بورن،
آن است که اغلب به این دلیل به عنوان تئوری ترجیح داد میشودمی‌شود به وجود امدهآمده به طورمخصوص که بیان میکند می‌کند که رویکرد تجدید نظر اجتناب فکر در مرحله ایمرحله‌ای از انآن که که او "«مهندسی وارداتی"» را مفهوم موتورهای گرما می نامدمی‌نامد. (10۱۰)
 
پایگاه تفکر خود را بر روی روش هایروش‌های مکانیکی، در سال 1921۱۹۲۱ به وجود امد،آمد،
و دوباره در سال 1949،۱۹۴۹، پیشنهاد شد به تجدید نظر در تعریف گرما. (10۱۰) (15۱۵) به طور خاص، او به کار کنستانتین کاراتئودوری، که در سال 1909۱۹۰۹ مراجعه کرده بود اظهار داشت اولین .
قانون بدون تعریف مقدار حرارت (16۱۶) این تعریف به وجود امدآمد به طور مخصوص برای انتقال انرژی بدون انتقال ماده ، ماده،
و آن به طور گسترده ایگسترده‌ای تشریح شده در کتابکتاب‌های هایدرسی درسی(به عنوان نمونه:
(17۱۷)(18۱۸) [19مشاهدات۱۹مشاهدات به وجود امدهآمده ازاینکه انتقال ماده بین دو سیستم با یک انتقال انرژی داخلی است که نمی تواندنمی‌تواند به اجزای گرما و کار توجیه شود همراه است.
می تواندمی‌تواند مسیر به سیستم هایسیستم‌های دیگر،
فضایی از آن انتقال ماده جداگانه، که اجازه می دهدمی‌دهد گرما و کار مستقلانه انتقال یابند همزمان با انتقال ماده وجود دارد. انرژی در هرنقل و انتقال محفوظ میماندمی‌ماند.
 
توصیف وبیان نتیجه
 
قانون اول ترمودینامیک برای یک سیستم بسته به دو روش توسط کلاوزیوس بیان شد.
یکی از راه هاییراه‌هایی که اشاره میکندمی‌کند به فرآیندهای چرخه ایچرخه‌ای و ورودی و خروجی از سیستم،
اما به افزایش موقعیت هایموقعیت‌های داخلی در سیستم اشاره نمی کندنمی‌کند.
راه دیگری که اشاره میکندمی‌کند به هر گونه تغییر تدریجی در موضع هایموضع‌های داخلی از سیستم، و انتظار نمیرودنمی‌رود روند چرخه ایچرخه‌ای داشته باشد.
فرآیندفرایند چرخه ایچرخه‌ای که می تواند بیمی‌تواند نهایتبی‌نهایت تکرار شود اغلب هنوز هم در ترک سیستم در حالت اصلی خود است.
 
در هر تکرار یک فرایند چرخه ای،چرخه‌ای، کار انجام شده توسط سیستم متناسب با حرارت مصرف شده توسط سیستم است.
در یک فرایند چرخه ایچرخه‌ای که در آن سیستم کار در اطراف آن انجام میشود،می‌شود،
لازم است که برخی از گرما توسط سیستم گرفته شده و برخی را بیرون بدهد،
و تفاوت در حرارت مصرف شده توسط سیستم در فرایند استیک .
ثابت جهانی و مستقل از سیستم است و توسط جیمز ژول در سال 1845۱۸۴۵ و 1847،۱۸۴۷، که از آن به عنوان معادل مکانیکی حرارت توصیف اندازه گیریاندازه‌گیری شد.
برای یک سیستم بسته، در هر فرآیند،فرایند،
تغییر در انرژی داخلی است که به علت ترکیبی از گرمای اضافه شده به سیستم و کار انجام شده توسط سیستم در نظر گرفته.میشودمی‌شود
با توجه به تغییر در انرژی داخلی Δu میشودمی‌شود:
<center><math>\Delta{U}=Q-W</math></center>
 
که در آن مقدار حرارت محیط اطراف خود و کار انجام شده توسط سیستم در اطراف آن،
به ترتیب به سیستم عرضه مشوند.
این علامت ضمنی قراردادی در بیانیه ایبیانیه‌ای کلاوزیوس 'از قانون داده شده در بالا است، و سازگار با استفاده از ترمودینامیک به مطالعه موتورهای گرما، که ارائه کار مفید است که به عنوان مثبت در نظر گرفته است قابل استفاده است.
در سبک مدرن آموزش علم، با این حال،
مرسوم به استفاده از قرارداد IUPAC است که توسط آن قانون اول از نظر کار انجام شده بر روی سیستم فرموله شده است.
با استفاده از این قرارداد علامت جایگزین برای کار، قانون اول برای یک سیستم بسته ممکن است نوشته شده شود:(20۲۰)
 
<center><math>\Delta{U}=Q+W</math></center>
 
این کنوانسیون به شرح زیر فیزیکدانان مانند ماکس پلانک،
(21۲۱) و تمام نقل و انتقالات خالص انرژی به سیستم به عنوان مثبت و تمام نقل و انتقالات انرژی خالص به بیرون سیستم به عنوان منفی ،بدون درنظرگرفتن هر گونه استفاده برای سیستم به عنوان یک موتور یا دستگاه دیگر، بدون در نظر گرفتن دیگراجزا
 
هنگامی که یک سیستم گسترش می یابد،می‌یابد، در یک فرایند غیرواقعی،
کار انجام شده توسط سیستم در مورد محیط زیست محصول، P dV ، فشار، P، و DV تغییر حجم، است،
در حالی که کار انجام شده بر روی سیستم -P DV است. با استفاده از هر قرارداد علامت برای کار، تغییر در انرژی داخلی سیستم است:
<center><math>\Delta{U}=Q-pDelta{V}</math></center>
 
که در آن δQ نشان دهنده افزایش بینهایت کوچک از گرمای عرضه شده به سیستم از محیط اطراف آن است.
 
کار و گرما عباراتی هستند که برای فرآیندهای فیزیکی واقعی عرضه میشوندمی‌شوند ویا حذف از انرژی هستند،
در حالی که U انرژی داخلی انتزاع ریاضی نگه می داردمی‌دارد که حساب از تبادل انرژی است که گریبانگیر سیستم است. بنابراین گرما Q به معنی "آن مقدار از انرژی اضافه و یا حذف شده توسط هدایت گرمایی و یا تابش حرارتی است "،
به جای مراجعه به شکلی از انرژی در سیستم. به همین ترتیب، پارامتر انرژی کار W به معنی "آن مقدار از انرژی به دست آورده شده و یا از دست داده شده و در نتیجه انجام کاراست ".
انرژی داخلی یک ویژگی از سیستم است در حالی که کار انجام شده و گرمای عرضه شده ویژگی سیستم نیستند.نتیجه قابل توجهی از این تمایز این است که با توجه به انرژی داخلی ΔU تغییر انرژی داخلی در اصل زابطه بین کار وگرما وترکیب شدن این دو ومچنین تاثیراتیتأثیراتی که برهم میگذارندمی‌گذارند را نشان میدهدمی‌دهد.
 
== جستارهای وابسته ==
*[[ترمودینامیک]]
* [[قانون صفرم ترمودینامیک]]
* [[قانون دوم ترمودینامیک]]
* [[قانون سوم ترمودینامیک]]
* [[نیکولا سعدی کارنو]]
* [[بنویت پال امیل کلاپیرون]]
* [[کلوین]]
* [[رودلف کلاوزیوس]]<ref>منابع 1. ^ Jump up to: a b Truesdell, C. A. (1980). 2. Jump up ^ Hess, H. (1840). "Thermochemische Untersuchungen". Annalen der Physik und Chemie 126 (6): 385–404. doi:10.1002/andp.18401260620. 3. Jump up ^ Truesdell, C. A. (1980), pp. 157–158. 4. Jump up ^ Mayer, Robert (1841). Paper: 'Remarks on the Forces of Nature"; as quoted in: Lehninger, A. (1971). Bioenergetics – the Molecular Basis of Biological Energy Transformations, 2nd. Ed. London: The Benjamin/Cummings Publishing Company. 5. ^ Jump up to: a b c Bailyn, M. (1994), p. 79. 6. Jump up ^ Clausius, R. (1850), page 373, translation here taken from Truesdell, C. A. (1980), pp. 188–189. 7. Jump up ^ Clausius, R. (1850), page 384, equation (IIa.). 8. Jump up ^ Bailyn, M. (1994), p. 80. 9. Jump up ^ Bryan, G. H. (1907), p.47. Also Bryan had written about this in the Enzyklopädie der Mathematischen Wissenschaften, volume 3, p. 81. Also in 1906 Jean Baptiste Perrin wrote about it in Bull. de la société français de philosophie, volume 6, p. 81. 10. ^ Jump up to: a b c Born, M. (1949), Lecture V, pp. 31–45. 11. Jump up ^ Bailyn, M. (1994), pp. 65, 79. 12. Jump up ^ Helmholtz, H. (1847). 13. Jump up ^ Bailyn, (1994), p. 82. 14. ^ Jump up to: a b Pippard, A. B. (1957/1966), p. 15. According to Herbert Callen, in his most widely cited text, Pippard's text gives a "scholarly and rigorous treatment"; see Callen, H. B. (1960/1985), p. 485. It is also recommended by Münster, A. (1970), p. 376. 15. ^ Jump up to: a b Born, M. (1921). "Kritische Betrachtungen zur traditionellen Darstellung der Thermodynamik". Physik. Zeitschr 22: 218–224. 16. ^ Jump up to: a b c d e Carathéodory, C. (1909). 17. ^ Jump up to: a b c Münster, A. (1970), pp. 23–24. 18. ^ Jump up to: a b Reif, F. (1965), p. 122. 19. ^ Jump up to: a b c Haase, R. (1971), pp. 24–25. 20. Jump up ^ Quantities, Units and Symbols in Physical Chemistry (IUPAC Green Book) See Sec. 2.11 Chemical Thermodynamics 21. Jump up ^ Planck, M. (1897/1903). Treatise on Thermodynamics, translated by A. Ogg, Longmans, Green & Co. , London. , p. 43</ref>
*[[رودلف کلاوزیوس]]
 
<ref>منابع 1. ^ Jump up to: a b Truesdell, C. A. (1980). 2. Jump up ^ Hess, H. (1840). "Thermochemische Untersuchungen". Annalen der Physik und Chemie 126 (6): 385–404. doi:10.1002/andp.18401260620. 3. Jump up ^ Truesdell, C. A. (1980), pp. 157–158. 4. Jump up ^ Mayer, Robert (1841). Paper: 'Remarks on the Forces of Nature"; as quoted in: Lehninger, A. (1971). Bioenergetics – the Molecular Basis of Biological Energy Transformations, 2nd. Ed. London: The Benjamin/Cummings Publishing Company. 5. ^ Jump up to: a b c Bailyn, M. (1994), p. 79. 6. Jump up ^ Clausius, R. (1850), page 373, translation here taken from Truesdell, C. A. (1980), pp. 188–189. 7. Jump up ^ Clausius, R. (1850), page 384, equation (IIa.). 8. Jump up ^ Bailyn, M. (1994), p. 80. 9. Jump up ^ Bryan, G. H. (1907), p.47. Also Bryan had written about this in the Enzyklopädie der Mathematischen Wissenschaften, volume 3, p. 81. Also in 1906 Jean Baptiste Perrin wrote about it in Bull. de la société français de philosophie, volume 6, p. 81. 10. ^ Jump up to: a b c Born, M. (1949), Lecture V, pp. 31–45. 11. Jump up ^ Bailyn, M. (1994), pp. 65, 79. 12. Jump up ^ Helmholtz, H. (1847). 13. Jump up ^ Bailyn, (1994), p. 82. 14. ^ Jump up to: a b Pippard, A. B. (1957/1966), p. 15. According to Herbert Callen, in his most widely cited text, Pippard's text gives a "scholarly and rigorous treatment"; see Callen, H. B. (1960/1985), p. 485. It is also recommended by Münster, A. (1970), p. 376. 15. ^ Jump up to: a b Born, M. (1921). "Kritische Betrachtungen zur traditionellen Darstellung der Thermodynamik". Physik. Zeitschr 22: 218–224. 16. ^ Jump up to: a b c d e Carathéodory, C. (1909). 17. ^ Jump up to: a b c Münster, A. (1970), pp. 23–24. 18. ^ Jump up to: a b Reif, F. (1965), p. 122. 19. ^ Jump up to: a b c Haase, R. (1971), pp. 24–25. 20. Jump up ^ Quantities, Units and Symbols in Physical Chemistry (IUPAC Green Book) See Sec. 2.11 Chemical Thermodynamics 21. Jump up ^ Planck, M. (1897/1903). Treatise on Thermodynamics, translated by A. Ogg, Longmans, Green & Co., London., p. 43</ref>
== منابع ==
{{پانویس}}