Innere Energie im ersten Hauptsatz der Thermodynamik

Wie können wir bei der Analyse geschlossener oder offener Systeme sicher sein, dass sich die innere Energie geändert hat oder Null ist?

Ich weiß, dass die innere Energie die Summe aller Energie im System ist, ich bin nur verwirrt, wenn ich erkenne, wann sich die innere Energie ändert oder Fälle, in denen sie sich nicht ändert.

Denn in der Gleichung für geschlossene Systeme Q − W = Δ U , wird impliziert, dass sich unabhängig von der Eingabe oder Ausgabe von Arbeit oder Wärme die innere Energie ändert, aber es gibt einige Fälle, in denen die Änderung der inneren Energie null ist. Wie ist das möglich? Sollte es also bedeuten, dass die Arbeit in dieser Situation gleich der übertragenen Wärme ist? Gilt es auch für offene Systeme?

Ein Maß für die Änderung der inneren Energie ist, wenn sich die Temperatur ändert.
Bei einem isothermen Prozess kann es also vorkommen, dass sich die innere Energie nicht ändert?
Ja. Bei einem isothermen Prozess Δ U = 0 . Dies gilt allerdings nur für ideale Gase ! Wenn Sie nicht ideale Substanzen haben, wo es zB Phasenänderungen oder chemische/strukturelle innere Änderungen gibt, dann kann innere Energie für andere Dinge verwendet/absorbiert werden als um die Temperatur zu erhöhen. Bei idealen Gasen folgt die Temperatur jedoch eng der inneren Energie - eine Änderung des einen bedeutet jedes Mal eine Änderung des anderen.
Wenn man bedenkt, dass eine konstante Temperatur bedeutet, dass sich die innere Energie nicht ändert, würde dies auch für adiabatische Prozesse gelten, bei denen keine Wärmeübertragung stattfindet, dann wäre die Temperatur ebenfalls konstant? Wäre Wasser ein Beispiel für die nicht idealen Substanzen, von denen Sie sprechen?
Isotherm bedeutet konstante Temperatur. Adiabat nicht. Bei adiabatischen Prozessen kann sich die Temperatur leicht (eigentlich immer) ändern. Wärmeübertragung nicht mit Temperatur gleichsetzen. Wärme ist nur eine Art der Energieübertragung.
Es wird "ideale Gase" genannt, weil dies nur Gase sein können. Eine der Anforderungen an ein ideales Gas ist, dass die Teilchen nicht miteinander wechselwirken. Dies gilt ungefähr für viele Gase, aber überhaupt nicht für Flüssigkeiten und Feststoffe.

Antworten (2)

Die Antwort hängt wirklich vom betrachteten System ab. Der in Ihrer Frage angegebene Fall, in dem die Änderung der inneren Energie Null ist, selbst wenn einige Arbeiten vom (oder am) System ausgeführt wurden, ist sicherlich möglich, wenn das System nicht thermisch isoliert (oder einfach isoliert) ist. Ein System darf nicht thermisch isoliert werden, da ein Teil der Wärmeenergie zwischen der Umgebung und dem System übertragen werden muss, wenn die innere Energie konstant bleiben soll, nachdem eine gewisse Volumenänderung des Systems beobachtet wurde.

Aus dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik,

Δ U = Q − W S j S T e M (1)

Wenn Δ U = 0 Dann,

W S j S T e M = Q (2)

Gleichung ( 2 ) bedeutet, dass, wenn sich das System in einem geschlossenen (nicht isolierten) System ausdehnt, etwas Wärme aus der Umgebung in das System gelangt, um die innere Energie wieder aufzufüllen, die verloren gegangen ist, als das System gegen äußeren Druck gearbeitet hat.

Aus derselben Gleichung folgt auch, dass, wenn das System aufgrund eines externen Agenten komprimiert wird, etwas Wärme aus dem System entweicht, um das System von der inneren Energie zu entlasten, die es gewonnen hat, als der externe Agent etwas Arbeit am System verrichtete.

Einfacher ausgedrückt steigt die innere Energie des Systems, wenn Arbeit am System verrichtet wird oder Wärme in das System gelangt, und nimmt ab, wenn Arbeit durch das System verrichtet wird oder Wärme aus dem System austritt.

Wenn die innere Energie konstant bleiben soll, müssen diese beiden Faktoren gegensätzlich wirken. Einer sollte die innere Energie erhöhen, während der andere sie verringert.

In offenen Systemen gibt es keine Grenze zwischen dem System und der Umgebung. Materie wird austauschbar. In diesem Fall gibt es keine Grenze für das System, gegen die die Arbeit ausgeführt werden kann. Die Umgebung wird zum System. Für offene Systeme gelten die Bedingungen Q Und W , haben keine Bedeutung.

Ich glaube, ich verstehe, was Sie für das geschlossene System sagen, aber Ihre Aussage zum offenen System hat mich ein wenig verwirrt. Bedeutet das, dass es bei offenen Systemen keine Hinweise auf mechanische Arbeit gibt, sondern nur Arbeit, die von Maschinen wie Generatoren, Turbinen oder Kompressoren kommt? Und wegen Q, warum sollte es keine Bedeutung haben? Ich habe einige Probleme gelesen, bei denen in einem offenen System ein Wärmeaustausch stattfindet.
In offenen Systemen, in denen beispielsweise Wasser kocht, wird die Energie darauf verwendet, die Wechselwirkungsbindungen zwischen den Wassermolekülen aufzubrechen. Da es sich jedoch um Idealfälle handelt, in denen die innere Energie eine Funktion der Temperatur ist, betrachten wir nur geschlossene Systeme für den Fall, den Sie in Ihrer Frage erwähnt haben. Offenes System, in dem die Grenze fehlt, kann man die vom System geleistete Arbeit nicht finden, weil das Volumen des Gases, das sich im System befand, nun unendlich geworden ist.
Ach deswegen. Ich habe nie so an Systemgrenzen gedacht, danke.
Eine Grenze kann alles sein, was das zu beobachtende System von seiner Umgebung trennt, so dass zwischen den beiden kein Stoffaustausch stattfindet, aber dennoch Wärme übertragen werden kann, und solche Systeme werden als geschlossene Systeme bezeichnet. Es gibt einige Systeme, bei denen sogar die Wärmeübertragung eingeschränkt ist. Solche Systeme werden isolierte Systeme genannt. Viel Spaß beim Lernen, ich wünsche Ihnen viel Glück beim Erlernen der Thermodynamik.
In einem offenen System kann es durchaus eine Grenze zwischen dem System und der Umgebung geben. Materie tritt typischerweise nur durch einen kleinen Teil der Grenze ein oder aus. Über den Rest der Grenze kann Wärme eintreten und Arbeit verrichtet werden.

Ein geschlossenes System ist eines, bei dem keine Masse über die Grenze zur Umgebung in das System eintritt oder es verlässt, aber an der Grenze Arbeit verrichtet werden kann und Wärme durch Teile der Grenze eintreten kann. Ein offenes System ist eines, in dem an der Grenze Arbeit verrichtet werden kann und sowohl Wärme als auch Masse mit der Umgebung über Teile der Systemgrenze hinweg ausgetauscht werden können.

Ihre Gleichung für den ersten Hauptsatz der Thermodynamik für ein geschlossenes System besagt tatsächlich, dass sich die innere Energie nur ändern kann, wenn die vom System an seiner Umgebung geleistete Arbeit nicht gleich der Wärme ist, die durch einen Teil seiner Grenze in das System eintritt.

Die Version des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik mit offenem System (Kontrollvolumen) ist eine Erweiterung der Version mit geschlossenem System. Es berücksichtigt die innere Energie, die über Einlass- und Auslassströmungen in das System eintritt, und teilt die vom System auf seine Umgebung geleistete Arbeit in zwei separate Teile auf: (a) Arbeit, die geleistet wird, um Masse durch einen Teil in das System hinein oder aus ihm heraus zu drücken seiner Grenze und (b) alle anderen Arbeiten, die nicht damit zusammenhängen, Masse in das oder aus dem System zu zwingen; Letzteres wird normalerweise als "Wellenarbeit" bezeichnet. In einigen Fällen wird die offene Systemversion des ersten Hauptsatzes als zeitabhängige (transiente) Gleichung geschrieben, die die Änderungsrate der inneren Energie, die Raten, mit denen Masse in das System eintritt und es verlässt, und die Raten, mit denen Arbeit ist, beinhaltet erledigt und Wärme tritt durch Teile der Systemgrenze ein.

Innere Energie im ersten Hauptsatz der Thermodynamik
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