Egwyddorion Thermodynamig
Er mwyn deall, mewn ffordd hawdd, fyd eang a chymhleth Thermodynameg, argymhellir mynd gam wrth gam gan ddechrau gydag adolygiad o dermau sylfaenol, cyflwyniad i egwyddorion thermodynamig, ac yna astudio’n ddyfnach y deddfau thermodynamig, sut maen nhw yn cael eu mynegi'n fathemategol.
Gyda phedair deddf thermodynameg (cyfraith sero, cyfraith gyntaf, ail gyfraith a thrydedd gyfraith), disgrifir sut mae trosglwyddiadau a thrawsnewidiadau egni rhwng gwahanol systemau yn gweithio; bod yn sail ar gyfer deall llawer o ffenomenau ffisegol-gemegol natur.
Adolygiad o gysyniadau sylfaenol
Rydym yn eich gwahodd i weld yr erthygl THERMODYNAMICS, beth ydyw a'i gymwysiadau
Gallwch chi ategu'r wybodaeth hon gyda'r erthygl Deddf Pwer Watt (Ceisiadau - Ymarferion) Am y tro RYDYM YN DILYN ...
Ffurfiau egni
Daw egni, eiddo cyrff i drawsnewid eu hunain trwy addasu eu sefyllfa neu eu gwladwriaeth, ar sawl ffurf, megis egni cinetig, egni potensial ac egni mewnol cyrff. Gweler ffigur 1.
Gwaith
Mae'n gynnyrch grym a dadleoliad, y ddau wedi'u mesur i'r un cyfeiriad. I gyfrifo'r gwaith, defnyddir cydran y grym sy'n gyfochrog â dadleoliad y gwrthrych. Mesurir y gwaith yn Nm, Joule (J), ft.lb-f, neu BTU. Gweler ffigur 2.
Gwres (Q)
Trosglwyddo egni thermol rhwng dau gorff sydd ar dymheredd gwahanol, a dim ond yn yr ystyr bod y tymheredd yn gostwng y mae'n digwydd. Mae gwres yn cael ei fesur mewn Joule, BTU, troedfedd punt, neu mewn calorïau. Gweler ffigur 3.
Egwyddorion Thermodynamig
Cyfraith Dim - Egwyddor Dim
Mae deddf sero thermodynameg yn nodi, os yw dau wrthrych, A a B, mewn ecwilibriwm thermol â'i gilydd, a bod gwrthrych A mewn ecwilibriwm â thrydydd gwrthrych C, yna mae gwrthrych B mewn ecwilibriwm thermol â gwrthrych C. Mae'r ecwilibriwm thermol yn digwydd pan fydd dau neu fwy o gyrff ar yr un tymheredd. Gweler ffigur 4.
Mae'r gyfraith hon yn cael ei hystyried yn gyfraith sylfaenol thermodynameg. Fe'i postiwyd fel "Zero Law", ym 1935, ers iddo gael ei bostio ar ôl i ddeddfau cyntaf ac ail thermodynameg gael eu gwneud.
Deddf 1af Thermodynameg (Egwyddor cadwraeth ynni)
Datganiad o Gyfraith Gyntaf Thermodynameg:
Mae deddf gyntaf thermodynameg, a elwir hefyd yn egwyddor cadwraeth ynni, yn nodi nad yw egni'n cael ei greu na'i ddinistrio, ei fod yn cael ei drawsnewid yn fath arall o egni yn unig, neu ei fod yn cael ei drosglwyddo o un gwrthrych i'r llall. Felly nid yw cyfanswm yr egni yn y bydysawd yn newid.
Mae'r gyfraith gyntaf yn cael ei chyflawni ym “popeth”, mae egni'n cael ei drosglwyddo a'i drawsnewid yn barhaus, er enghraifft, mewn rhai dyfeisiau trydanol, fel cymysgwyr a chymysgwyr, mae egni trydanol yn cael ei drawsnewid yn egni mecanyddol a thermol, yn y corff dynol maen nhw'n trawsnewid y cemegyn. egni bwyd sy'n cael ei amlyncu i egni cinetig pan fydd y corff yn symud, neu enghreifftiau eraill fel y rhai a ddangosir yn ffigur 5.
Hafaliad Deddf Gyntaf Thermodynameg:
Mae hafaliad y gyfraith gyntaf o fewn yr egwyddorion thermodynamig yn mynegi'r cydbwysedd y mae'n rhaid ei fodoli rhwng y gwahanol fathau o egni mewn proses benodol. Ers, mewn systemau caeedig [1], dim ond trwy drosglwyddo gwres, neu drwy’r gwaith a wneir (gan neu ar y system) y gellir rhoi’r cyfnewidiadau ynni, sefydlir bod amrywiad ynni system yn hafal i’r swm trosglwyddiadau egni trwy wres a thrwy waith. Gweler ffigur 6.
O ystyried mai'r egni a ystyrir yn y cydbwysedd ynni hwn yw egni cinetig, egni potensial ac egni mewnol [1], mae'r cydbwysedd egni ar gyfer systemau caeedig yn parhau fel y dangosir yn ffigur 7.
- (ec) Egni cinetig , oherwydd symudiad corff;
- (ep) Ynni Posibl, oherwydd safle corff mewn maes disgyrchiant;
- (NEU) Ynni mewnol, oherwydd cyfraniadau microsgopig egni cinetig ac egni potensial moleciwlau mewnol corff.
Ymarfer 1.
Mae cynhwysydd wedi'i selio yn cynnwys sylwedd, gydag egni cychwynnol o 10 kJ. Mae'r sylwedd yn cael ei droi gyda gwthio sy'n gwneud 500 J o waith, tra bod ffynhonnell wres yn trosglwyddo 20 kJ o wres i'r sylwedd. Yn ogystal, mae 3kJ o wres yn cael ei ryddhau i'r awyr yn ystod y broses. Darganfyddwch egni terfynol y sylwedd. Gweler ffigur 8.
Ateb:
Yn ffigur 9 gallwch weld y gwres sy'n cael ei ychwanegu gan y ffynhonnell wres, sy'n cael ei ystyried yn "bositif" gan ei fod yn cynyddu egni'r sylwedd, y gwres sy'n cael ei ryddhau i'r awyr, yn negyddol gan ei fod yn lleihau egni'r sylwedd, a'r cymerodd gwaith y propelor, a gynyddodd yr egni arwydd cadarnhaol.
Yn ffigur 10 cyflwynir y cydbwysedd egni, yn ôl deddf gyntaf thermodynameg a cheir egni terfynol y sylwedd.
Ail gyfraith thermodynameg
Mae yna sawl datganiad o ail gyfraith thermodynameg: Datganiad o Planck-Kelvin, Clausius, Carnot. Mae pob un ohonynt yn dangos agwedd wahanol ar yr ail gyfraith. Yn gyffredinol, mae ail gyfraith thermodynameg yn postio:
- Cyfeiriad prosesau thermodynamig, anghildroadwyedd ffenomenau corfforol.
- Effeithlonrwydd peiriannau thermol.
- Rhowch yr eiddo "entropi".
Cyfeiriad prosesau thermodynamig:
Yn ddigymell ei natur, mae egni'n llifo neu'n cael ei drosglwyddo o'r wladwriaeth ynni uchaf i'r wladwriaeth ynni isaf. Mae gwres yn llifo o gyrff poeth i gyrff oer ac nid y ffordd arall. Gweler ffigur 11.
Effeithlonrwydd neu berfformiad thermol:
Yn ôl deddf gyntaf thermodynameg, nid yw egni'n cael ei greu na'i ddinistrio, ond gellir ei drawsnewid neu ei drosglwyddo. Ond ym mhob trosglwyddiad ynni neu drawsnewidiad nid yw swm ohono'n ddefnyddiol i wneud gwaith. Wrth i egni gael ei drosglwyddo neu ei drawsnewid, mae rhan o'r egni cychwynnol yn cael ei ryddhau fel egni thermol: mae egni'n diraddio, yn colli ansawdd.
Mewn unrhyw drawsnewidiad ynni, mae maint yr egni a geir bob amser yn llai na'r egni a gyflenwir. Effeithlonrwydd thermol yw faint o wres o'r ffynhonnell sy'n cael ei droi'n waith, y gymhareb rhwng yr egni defnyddiol a geir a'r egni a gyflenwir wrth drawsnewid. Gweler ffigur 12.
Peiriant Thermol neu Beiriant Gwres:
Mae'r peiriant thermol yn ddyfais sy'n trosi gwres yn rhannol i egni gwaith neu fecanyddol, ar gyfer hyn mae angen ffynhonnell sy'n cyflenwi gwres ar dymheredd uchel.
Mewn peiriannau thermol defnyddir sylwedd fel anwedd dŵr, aer neu danwydd. Mae'r sylwedd yn mynd trwy gyfres o drawsnewidiadau thermodynamig mewn ffordd gylchol, fel y gall y peiriant weithredu'n barhaus.
Ymarfer 2.
Mae injan cerbyd cargo yn cynhyrchu gwres mewn hylosgi trwy losgi gasoline. Ar gyfer pob cylch o'r injan, mae'r gwres o 5 kJ yn cael ei drawsnewid yn 1kJ o waith mecanyddol. Beth yw effeithlonrwydd y modur? Faint o wres sy'n cael ei ryddhau ar gyfer pob cylch o'r injan? Gweler ffigur 13
Ateb:
Er mwyn pennu'r gwres sy'n cael ei ryddhau, tybir bod y gwaith net mewn peiriannau thermol yn hafal i'r trosglwyddiad gwres net i'r system. Gweler ffigur 14.
Entropi:
Entropi yw'r graddau ar hap neu anhrefn mewn system. Mae entropi yn caniatáu meintioli'r rhan o ynni na ellir ei ddefnyddio i gynhyrchu gwaith, hynny yw, mae'n caniatáu meintioli anghildroadwyedd proses thermodynamig.
Mae pob trosglwyddiad egni sy'n digwydd yn cynyddu entropi y bydysawd ac yn lleihau faint o ynni y gellir ei ddefnyddio i wneud gwaith. Bydd unrhyw broses thermodynamig yn mynd yn ei blaen i gyfeiriad sy'n cynyddu cyfanswm entropi y bydysawd. Gweler ffigur 15.
3edd Gyfraith Thermodynameg
Trydedd Gyfraith Thermodynameg neu Nerst Postulate
Mae trydydd deddf thermodynameg yn gysylltiedig â thymheredd ac oeri. Mae'n nodi bod entropi system ar sero absoliwt yn gysonyn pendant. Gweler ffigur 16.
Sero absoliwt yw'r tymheredd isaf lle nad oes mesur is is bellach, dyma'r oeraf y gall corff fod. Sero absoliwt yw 0 K, sy'n cyfateb i -273,15 ºC.
Casgliad
Mae pedair egwyddor thermodynamig. Yn yr egwyddor sero, sefydlir bod ecwilibriwm thermol yn digwydd pan fydd dau gorff neu fwy ar yr un tymheredd.
Mae deddf gyntaf thermodynameg yn delio â chadwraeth ynni rhwng prosesau, tra bod ail gyfraith thermodynameg yn delio â chyfeiriadedd o'r entropi isaf i'r entropi uchaf, ac effeithlonrwydd neu berfformiad peiriannau gwres sy'n trosi gwres yn waith.
Mae trydydd deddf thermodynameg yn gysylltiedig â thymheredd ac oeri, mae'n nodi bod entropi system ar sero absoliwt yn gysonyn pendant.