Termodinamički principi

Da biste na lak način razumjeli širok i složen svijet termodinamike, preporučuje se korak po korak, počevši od pregleda osnovnih pojmova, uvoda u termodinamičke principe, a zatim dublje proučavajući termodinamičke zakone, kako oni izraženi su matematički i njegove primjene.

S četiri zakona termodinamike (nulti zakon, prvi zakon, drugi zakon i treći zakon) opisano je kako funkcioniraju prijenosi i transformacije energije između različitih sistema; kao osnova za razumijevanje mnogih fizičko-hemijskih fenomena prirode.

Pregled osnovnih pojmova

Pozivamo vas da pogledate članak TERMODINAMIKA, šta je to i njene primene

Ove podatke možete dopuniti člankom Snaga Wathovog zakona (aplikacije - vježbe) Za sada PRATIMO ...

Oblici energije

Energija, svojstvo tijela da se transformišu mijenjajući svoju situaciju ili stanje, ima u mnogim oblicima, kao što su kinetička energija, potencijalna energija i unutrašnja energija tijela. Pogledajte sliku 1.

trabajo

Proizvod je sile i pomaka, oba mjerena u istom smjeru. Za izračunavanje rada koristi se komponenta sile paralelna pomicanju predmeta. Rad se mjeri u Nm, Joule (J), ft.lb-f ili BTU. Pogledajte sliku 2.

Vrućina (Q)

Prijenos toplotne energije između dva tijela koja su na različitim temperaturama i događa se samo u smislu da temperatura opada. Toplina se mjeri u džulima, BTU, kilogramima ili kalorijama. Pogledajte sliku 3.

Termodinamički principi

Nulti zakon - nulti princip

Nulti zakon termodinamike kaže da ako su dva objekta, A i B, međusobno u toplotnoj ravnoteži, a objekt A u ravnoteži sa trećim objektom C, tada je objekt B u toplotnoj ravnoteži s objektom C. Dolazi do toplotne ravnoteže kada su dva ili više tijela na istoj temperaturi. Pogledajte sliku 4.

Ovaj zakon se smatra osnovnim zakonom termodinamike. Bio je postavljen kao "Nulti zakon" 1935. godine, budući da je postuliran nakon što su stvoreni prvi i drugi zakon termodinamike.

1. zakon termodinamike (princip očuvanja energije)

Izjava o prvom zakonu termodinamike:

Prvi zakon termodinamike, poznat i kao princip očuvanja energije, kaže da se energija ne stvara ili uništava, ona se samo transformiše u drugu vrstu energije ili se prenosi s jednog objekta na drugi. Stoga se ukupna količina energije u svemiru ne mijenja.

Prvi zakon je ispunjen u "svemu", energija se prenosi i kontinuirano transformira, na primjer, u nekim električnim uređajima, poput miješalica i miješalica, električna energija se pretvara u mehaničku i toplinsku energiju, u ljudskom tijelu se transformiraju kemijske energija hrane koja se unosi u kinetičku energiju kada je tijelo u pokretu, ili drugi primjeri poput onih prikazanih na slici 5.

Jednadžba prvog zakona termodinamike:

Jednadžba prvog zakona u termodinamičkim principima izražava ravnotežu koja mora postojati između različitih vrsta energije u datom procesu. Budući da se u zatvorenim sistemima [1] razmjene energije mogu dati samo prijenosom toplote ili radom (od ili na sistemu), utvrđeno je da je promjena energije sustava jednaka zbroju prenos energije kroz toplotu i kroz rad. Pogledajte sliku 6.

Uzimajući u obzir da su energije koje se razmatraju u ovom energetskom bilansu kinetička, potencijalna i unutrašnja energija [1], energetski bilans za zatvorene sisteme ostaje kao što je prikazano na slici 7.

• (ec) Kinetička energija , zbog kretanja tijela;
• (ep) Potencijalna energija, zbog položaja tijela u gravitacijskom polju;
• (ILI) Interna energija, zbog mikroskopskog doprinosa kinetičke i potencijalne energije unutrašnjih molekula tijela.

Vježba 1.

Zatvorena posuda sadrži supstancu, čija je početna energija 10 kJ. Supstanca se miješa propelerom koji radi 500 J, dok izvor toplote prenosi na supstancu 20 kJ toplote. Uz to, 3kJ topline se tijekom procesa ispušta u zrak. Odredite konačnu energiju supstance. Pogledajte sliku 8.

Rešenje:

Na slici 9 možete vidjeti toplotu koju dodaje izvor toplote, koja se smatra "pozitivnom", jer povećava energiju supstance, toplotu koja se oslobađa u vazduh, negativnu, jer smanjuje energiju supstance, i rad propelera, koji je povećavao energiju, dobio je pozitivan predznak.

Na slici 10 prikazana je energetska bilanca, prema prvom zakonu termodinamike i dobijena je konačna energija supstance.

Drugi zakon termodinamike

Postoji nekoliko izjava drugog zakona termodinamike: Izjava Planck-Kelvina, Clausiusa, Carnota. Svaka od njih pokazuje drugačiji aspekt drugog zakona. Općenito, drugi zakon termodinamike postulira:

• Smjer termodinamičkih procesa, nepovratnost fizičkih pojava.
• Efikasnost termičkih mašina.
• Unesite svojstvo "entropija".

Smjer termodinamičkih procesa:

Spontano u prirodi energija teče ili se prenosi iz najvišeg u najniže energetsko stanje. Toplina teče iz vrućih tijela u hladna tijela, a ne obrnuto. Pogledajte sliku 11.

Učinkovitost ili toplotne performanse:

Prema prvom zakonu termodinamike, energija se ne stvara niti uništava, ali se može transformirati ili prenijeti. Ali u svim prijenosima ili transformacijama energije neke količine nisu korisne za obavljanje posla. Kako se energija prenosi ili transformiše, dio početne energije oslobađa se kao toplotna energija: energija se razgrađuje, gubi na kvaliteti.

U bilo kojoj energetskoj transformaciji, količina dobijene energije je uvijek manja od isporučene energije. Toplinska učinkovitost je količina topline iz izvora koja se pretvara u rad, odnos između dobivene korisne energije i energije koja se daje u transformaciji. Pogledajte sliku 12.

Termalna mašina ili mašina za zagrevanje:

Termalna mašina je uređaj koji djelomično pretvara toplinu u radnu ili mehaničku energiju, za što joj je potreban izvor koji toplinu isporučuje na visokoj temperaturi.

U termičkim mašinama koristi se supstanca poput vodene pare, vazduha ili goriva. Tvar prolazi ciklički niz termodinamičkih transformacija, tako da mašina može kontinuirano raditi.

Vježba 2.

Motor teretnog vozila proizvodi toplinu u sagorijevanju izgaranjem benzina. Za svaki ciklus motora, toplota od 5 kJ pretvara se u 1kJ mehaničkog rada. Kolika je efikasnost motora? Koliko toplote se oslobađa za svaki ciklus motora? Pogledajte sliku 13

Rešenje:

Za određivanje oslobođene toplote pretpostavlja se da je u termičkim mašinama neto rad jednak neto prenosu toplote u sistem. Pogledajte sliku 14.

Entropija:

Entropija je stepen slučajnosti ili poremećaja u sistemu. Entropija omogućuje kvantifikaciju dijela energije koji se ne može koristiti za stvaranje rada, odnosno omogućava kvantifikaciju nepovratnosti termodinamičkog procesa.

Svaki prijenos energije koji se dogodi povećava entropiju svemira i smanjuje količinu upotrebljive energije dostupne za rad. Bilo koji termodinamički proces odvijat će se u smjeru koji povećava ukupnu entropiju svemira. Pogledajte sliku 15.

3. zakon termodinamike

Treći zakon termodinamike ili Nerstov postulat

Treći zakon termodinamike odnosi se na temperaturu i hlađenje. Navodi da je entropija sistema na apsolutnoj nuli definitivna konstanta. Pogledajte sliku 16.

Apsolutna nula je najniža temperatura ispod koje više ne postoji niža mjera, najhladnije je što tijelo može biti. Apsolutna nula je 0 K, što odgovara -273,15 ºC.

zaključak

Postoje četiri termodinamička principa. U principu nula utvrđeno je da se toplotna ravnoteža javlja kada su dva ili više tijela na istoj temperaturi.

Prvi zakon termodinamike bavi se očuvanjem energije između procesa, dok se drugi zakon termodinamike bavi smjerom od najniže do najviše entropije i efikasnošću ili performansama toplotnih motora koji pretvaraju toplinu u rad.

Treći zakon termodinamike povezan je s temperaturom i hlađenjem, on navodi da je entropija sistema na apsolutnoj nuli definitivna konstanta.