Тэрмадынамічныя прынцыпы

Каб зразумець просты і шырокі свет тэрмадынамікі, рэкамендуецца ісці паэтапна, пачынаючы з агляду асноўных тэрмінаў, азнаямлення з тэрмадынамічнымі прынцыпамі, а затым больш глыбока вывучаючы тэрмадынамічныя законы, як яны выказаны матэматычна. і яго прыкладання.

У чатырох законах тэрмадынамікі (нулявы закон, першы закон, другі закон і трэці закон) апісана, як працуюць пераносы і пераўтварэнні энергіі паміж рознымі сістэмамі; з'яўляючыся асновай для разумення многіх фізіка-хімічных з'яў прыроды.

Агляд асноўных паняццяў

Мы запрашаем вас паглядзець артыкул ТЭРМАДЫНАМІКА, што гэта такое і яго прымяненне

Вы можаце дапоўніць гэтую інфармацыю артыкулам Сіла закона Вата (прыкладанні - практыкаванні) Пакуль МЫ СЛЕДВАЕМ ...

Формы энергіі

Энергія, уласцівасць целаў пераўтварацца, змяняючы сваё становішча альбо стан, бывае ў розных формах, напрыклад кінэтычная энергія, патэнцыяльная энергія і ўнутраная энергія цел. Глядзіце малюнак 1.

Працаваць

Гэта прадукт сілы і перамяшчэння, якія вымяраюцца ў адным кірунку. Для разліку працы выкарыстоўваецца складнік сілы, паралельны зрушэнню аб'екта. Праца вымяраецца ў Нм, Джоулі (Дж), ft.lb-f або BTU. Глядзіце малюнак 2.

Цяпло (Q)

Перадача цеплавой энергіі паміж двума целамі, якія знаходзяцца пры рознай тэмпературы, і адбываецца толькі ў тым сэнсе, што тэмпература памяншаецца. Цяпло вымяраецца ў джоулях, BTU, фунтах-футах або ў калорыях. Глядзіце малюнак 3.

Тэрмадынамічныя прынцыпы

Нулявы закон - нулявы прынцып

Нулявы закон тэрмадынамікі сцвярджае, што калі два аб'екты, A і B, знаходзяцца ў цеплавой раўнавазе адзін з адным, а аб'ект A знаходзіцца ў раўнавазе з трэцім аб'ектам C, то аб'ект B знаходзіцца ў цеплавой раўнавазе з аб'ектам C. Надыходзіць цеплавая раўнавага калі два і больш целы маюць аднолькавую тэмпературу. Глядзіце малюнак 4.

Гэты закон лічыцца асноўным законам тэрмадынамікі. У 1935 г. ён быў пастуляваны як "нулявы закон", бо быў пастуляваны пасля стварэння першага і другога законаў тэрмадынамікі.

1-ы закон тэрмадынамікі (прынцып захавання энергіі)

Заява першага закона тэрмадынамікі:

Першы закон тэрмадынамікі, таксама вядомы як прынцып захавання энергіі, сцвярджае, што энергія не ствараецца і не разбураецца, яна толькі ператвараецца ў іншы тып энергіі альбо пераносіцца з аднаго аб'екта на іншы. Такім чынам, агульная колькасць энергіі ў Сусвеце не змяняецца.

Першы закон выконваецца ва ўсім, энергія перадаецца і бесперапынна трансфармуецца, напрыклад, у некаторых электрычных прыладах, такіх як змяшальнікі і блендеры, электрычная энергія ператвараецца ў механічную і цеплавую энергію, у чалавечым целе яны ператвараюць хімічную энергія ежы, якая трапляе ў кінэтычную энергію, калі цела знаходзіцца ў руху, альбо іншыя прыклады, напрыклад, паказаныя на малюнку 5.

Ураўненне першага закона тэрмадынамікі:

Ураўненне першага закона ў рамках тэрмадынамічных прынцыпаў выражае баланс, які павінен існаваць паміж рознымі тыпамі энергіі ў дадзеным працэсе. Паколькі ў закрытых сістэмах [1] абмен энергіяй можа быць дадзены толькі шляхам перадачы цяпла альбо праведзенай працай (у сістэме альбо на ёй), устаноўлена, што змяненне энергіі ў сістэме роўна суме перадачы энергіі праз цяпло і праз працу. Глядзіце малюнак 6.

Улічваючы, што ў гэтым энергетычным балансе разглядаюцца кінетычная энергія, патэнцыяльная энергія і ўнутраная энергія [1], энергетычны баланс для закрытых сістэм застаецца такім, як паказана на малюнку 7.

• (Эк) Кінэтычная энергія , з-за руху цела;
• (Эп) Патэнцыйная энергія, з-за становішча цела ў гравітацыйным полі;
• (АБО) Унутраная энергія, з-за мікраскапічнага ўкладу кінетычнай і патэнцыяльнай энергіі ўнутраных малекул цела.

1 практыкаванне

Герметычны кантэйнер змяшчае рэчыва з пачатковай энергіяй 10 кДж. Рэчыва змешваюць шрубай, якая працуе 500 Дж, а крыніца цяпла перадае рэчыву 20 кДж цяпла. Акрамя таго, падчас працэсу ў паветра выдзяляецца 3 кДж цяпла. Вызначце канчатковую энергію рэчыва. Глядзіце малюнак 8.

рашэнне:

На малюнку 9 вы можаце ўбачыць цяпло, якое дадаецца крыніцай цяпла, якое лічыцца "станоўчым", паколькі яно павялічвае энергію рэчыва, цеплыню, якая выдзяляецца ў паветра, адмоўнай, паколькі памяншае энергію рэчыва, і праца вінта, якое павялічыла энергію, прыняла станоўчы знак.

На малюнку 10 прадстаўлены энергетычны баланс у адпаведнасці з першым законам тэрмадынамікі і атрымана канчатковая энергія рэчыва.

Другі закон тэрмадынамікі

Ёсць некалькі сцвярджэнняў другога закона тэрмадынамікі: Заява Планка-Кельвіна, Клаўзіуса, Карно. Кожны з іх паказвае розны аспект другога закона. Увогуле другі закон тэрмадынамікі пастулюе:

• Кірунак тэрмадынамічных працэсаў, незваротнасць фізічных з'яў.
• Эфектыўнасць цеплавых машын.
• Увядзіце ўласцівасць "энтрапія".

Напрамак тэрмадынамічных працэсаў:

Спантанна ў прыродзе энергія перацякае альбо пераходзіць з самага высокага энергетычнага ў самы нізкі энергетычны стан. Цяпло цячэ ад гарачых целаў да халодных, а не наадварот. Глядзіце малюнак 11.

Эфектыўнасць альбо цеплавыя характарыстыкі:

Згодна з першым законам тэрмадынамікі, энергія не ствараецца і не разбураецца, але яе можна пераўтварыць альбо перадаць. Але ва ўсіх перадачах энергіі і пераўтварэннях яе колькасць не карысна выконваць. Па меры перадачы або пераўтварэння энергіі частка пачатковай энергіі вылучаецца ў выглядзе цеплавой энергіі: энергія дэградуе, губляе якасць.

Пры любым пераўтварэнні энергіі колькасць атрыманай энергіі заўсёды менш, чым пададзенай энергіі. Цеплавая эфектыўнасць - гэта колькасць цяпла ад крыніцы, якое ператвараецца ў працу, суадносіны паміж карыснай энергіяй, атрыманай пры пераўтварэнні. Глядзіце малюнак 12.

Цеплавая машына або цеплавая машына:

Цеплавая машына - гэта прылада, якое часткова пераўтварае цяпло ў працоўную альбо механічную энергію, для гэтага патрэбна крыніца, якая забяспечвае цяплом высокую тэмпературу.

У цеплавых машынах выкарыстоўваецца такое рэчыва, як вадзяная пара, паветра ці паліва. Рэчыва цыклічна перажывае шэраг тэрмадынамічных пераўтварэнняў, дзякуючы чаму машына можа бесперапынна працаваць.

2 практыкаванне

Рухавік грузавога аўтамабіля выпрацоўвае цяпло пры згаранні, спальваючы бензін. Для кожнага цыкла рухавіка цяпло ў 5 кДж ператвараецца ў 1 кДж механічнай працы. Якая эфектыўнасць рухавіка? Колькі цяпла выдзяляецца за кожны цыкл рухавіка? Глядзіце малюнак 13

рашэнне:

Для вызначэння выдзялення цяпла мяркуецца, што ў цеплавых машынах чыстая праца роўная чыстаму цеплааддачы ў сістэму. Глядзіце малюнак 14.

Энтрапія:

Энтрапія - гэта ступень выпадковасці альбо бязладдзя ў сістэме. Энтрапія дазваляе вырабіць колькасную ацэнку той часткі энергіі, якая не можа быць выкарыстана для атрымання працы, гэта значыць дазваляе вырабіць колькасную ацэнку незваротнасці тэрмадынамічнага працэсу.

Кожная перадача энергіі павялічвае энтрапію Сусвету і памяншае колькасць карыснай энергіі, даступнай для працы. Любы тэрмадынамічны працэс будзе ісці ў напрамку, які павялічвае поўную энтрапію Сусвету. Глядзіце малюнак 15.

3-ці закон тэрмадынамікі

Трэці закон тэрмадынамікі альбо пастулат Нерста

Трэці закон тэрмадынамікі звязаны з тэмпературай і астуджэннем. У ім гаворыцца, што энтрапія сістэмы пры абсалютным нулі - гэта пэўная канстанта. Глядзіце малюнак 16.

Абсалютны нуль - гэта самая нізкая тэмпература, ніжэй за якую больш не існуе ніжняй меры, гэта самая халодная, што можа быць цела. Абсалютны нуль складае 0 K, што эквівалентна -273,15 ºC.

Заключэнне

Ёсць чатыры тэрмадынамічныя прынцыпы. У прынцыпе нуля ўстаноўлена, што цеплавая раўнавага мае месца, калі два і больш целы маюць аднолькавую тэмпературу.

Першы закон тэрмадынамікі займаецца захаваннем энергіі паміж працэсамі, у той час як другі закон тэрмадынамікі займаецца накіраванасцю ад найменшай да найвышэйшай энтрапіі, а таксама эфектыўнасцю і прадукцыйнасцю цеплавых рухавікоў, якія пераўтвараюць цяпло ў працу.

Трэці закон тэрмадынамікі звязаны з тэмпературай і астуджэннем, ён сцвярджае, што энтрапія сістэмы пры абсалютным нулі з'яўляецца пэўнай пастаяннай.