Termodynamiske principper
For let at forstå den brede og komplekse verden af termodynamikken, anbefales det at gå trin for trin begynde med en gennemgang af grundlæggende termer, en introduktion til termodynamiske principper og derefter studere termodynamiske love mere i dybden, hvordan de udtrykkes matematisk. applikationer.
Med termodynamikkens fire love (nullov, første lov, anden lov og tredje lov) beskriver den, hvordan energioverførsler og transformationer mellem forskellige systemer fungerer; være grundlaget for at forstå mange fysisk-kemiske naturfænomener.
Grundlæggende gennemgang
Vi inviterer dig til at se artiklen TERMODYNAMIK, hvad det er og dets anvendelser
Du kan supplere denne information med artiklen Kraften i Watt's lov (applikationer - øvelser) For tiden VI FORTSÆTTER…
Energiformer
Energi, kroppens egenskab til at transformere ved at ændre deres situation eller tilstand, forekommer i mange former, som f.eks. kinetisk energi, potentiel energi og indre energi i legemer. Se figur 1.
Arbejde
Det er produktet af en kraft og forskydning, begge målt i samme retning. For at beregne arbejdet bruges komponenten af kraften, der er parallel med objektets forskydning. Arbejdet måles i Nm, Joule (J), ft.lb-f eller BTU. Se figur 2.
Varme (Q)
Overførsel af termisk energi mellem to legemer, der er ved forskellige temperaturer, og det sker kun i den retning, hvori temperaturen falder. Varme måles i Joule, BTU'er, pund-fod eller kalorier. Se figur 3.
Termodynamiske principper
Nulloven – Nulprincippet
Termodynamikkens nulte lov siger, at hvis to objekter, A og B, er i termisk ligevægt med hinanden, og objekt A er i ligevægt med et tredje objekt C, så er objekt B i termisk ligevægt med objekt C. Den termiske ligevægt opstår når to eller flere legemer har samme temperatur. Se figur 4.
Denne lov betragtes som en grundlæggende termodynamisk lov. Det blev postuleret som "Nullov" i 1935, da det blev postuleret efter termodynamikkens første og anden lov blev lavet.
Termodynamikkens 1. lov (princippet om energibevarelse)
Udsagn om termodynamikkens første lov:
Termodynamikkens første lov, også kendt som princippet om energibevarelse, siger, at energi ikke kan skabes eller ødelægges, den omdannes kun til en anden type energi eller overføres fra et objekt til et andet. Således ændres den samlede mængde energi i universet ikke.
Den første lov er opfyldt i "alt", energi overføres og omdannes kontinuerligt, for eksempel i nogle elektriske enheder, såsom mixere og blendere, omdannes elektrisk energi til mekanisk og termisk energi, i den menneskelige krop omdannes de den kemiske energi af den mad, der indtages til kinetisk energi, når kroppen er i bevægelse, eller andre eksempler som dem vist i figur 5.
Ligning for termodynamikkens første lov:
Ligningen for den første lov indenfor de termodynamiske principper udtrykker den balance, der skal være mellem de forskellige energityper i en given proces. Da energiudvekslinger i lukkede systemer [1] kun kan ske ved varmeoverførsel eller ved det arbejde, der udføres (af eller på systemet), fastslås det, at energivariationen i et system er lig med summen af energioverførsler gennem varme og gennem arbejde. Se figur 6.
I betragtning af at de energier, der indgår i denne energibalance, er kinetisk energi, potentiel energi og intern energi [1], er energibalancen for lukkede systemer som vist i figur 7.
- (Ec) Kinetisk energi , på grund af en krops bevægelse;
- (ep) Potentiel energi , på grund af et legemes position i et gravitationsfelt;
- (ELLER) indre energi, på grund af de mikroskopiske bidrag fra den kinetiske og potentielle energi af et legemes indre molekyler.
Øvelse 1.
En forseglet beholder indeholder et stof med en startenergi på 10 kJ. Stoffet omrøres med en propel, der udfører 500 J arbejde, mens en varmekilde overfører 20 kJ varme til stoffet. Derudover frigives 3kJ varme til luften under processen. Bestem stoffets endelige energi. Se figur 8.
Opløsning:
Figur 9 viser den varme, der tilføres af varmekilden, som betragtes som "positiv", da den øger stoffets energi, den varme, der frigives til luften, negativ, da den mindsker stoffets energi, og arbejdet i stoffet. propel, som efterhånden som energien stiger tager et positivt fortegn.
Figur 10 viser energibalancen, ifølge termodynamikkens første lov, og stoffets endelige energi opnås.
Anden lov om termodynamik
Der er flere udsagn om termodynamikkens anden lov: Udsagn af Planck-Kelvin, Clausius, Carnot. Hver af dem viser et andet aspekt af den anden lov. Generelt postulerer termodynamikkens anden lov:
- Retningen af termodynamiske processer, irreversibilitet af fysiske fænomener.
- Effektiviteten af varmemotorer.
- Introducerer egenskaben "entropi".
Retning af termodynamiske processer:
Spontant i naturen flyder energi eller overføres fra den højere energitilstand til den lavere energitilstand. Varme strømmer fra varme kroppe til kolde kroppe og ikke omvendt. Se figur 11.
Effektivitet eller termisk ydeevne:
Ifølge termodynamikkens første lov kan energi ikke skabes eller ødelægges, men den kan transformeres eller overføres. Men i alle overførsler eller transformationer af energi er en mængde af den ikke nyttig til at udføre arbejde. Når energien overføres eller omdannes, frigives en del af den oprindelige energi som termisk energi: energien nedbrydes, den mister kvalitet.
Ved enhver energiomdannelse er mængden af opnået energi altid mindre end den tilførte energi. Termisk virkningsgrad er mængden af varme fra kilden, der omdannes til arbejde, forholdet mellem den opnåede nyttige energi og den energi, der bidrager i en transformation. Se figur 12.
Termisk maskine eller varmemaskine:
Varmemotoren er en enhed, der delvist omdanner varme til arbejde eller mekanisk energi, hvortil der kræves en kilde, der leverer varme ved høj temperatur.
I termiske maskiner bruges et stof som vanddamp, luft eller brændstof. Stoffet gennemgår en række termodynamiske transformationer på en cyklisk måde, så maskinen kan arbejde kontinuerligt.
Øvelse 2.
Motoren i et lastkøretøj producerer forbrændingsvarme ved at brænde benzin. For hver motorcyklus omdannes 5 kJ varme til 1 kJ mekanisk arbejde. Hvad er effektiviteten af motoren? Hvor meget varme spildes pr. motorcyklus? Se figur 13
Opløsning:
For at bestemme den frigivne varme antages det, at i varmemotorer er nettoarbejdet lig med nettovarmeoverførslen til systemet. Se figur 14.
Entropi:
Entropi er graden af tilfældighed eller uorden i et system. Entropi gør det muligt at kvantificere den del af energien, der ikke kan bruges til at producere arbejde, det vil sige, det gør det muligt at kvantificere irreversibiliteten af en termodynamisk proces.
Enhver overførsel af energi, der sker, øger universets entropi og reducerer mængden af tilgængelig energi til at udføre arbejde. Enhver termodynamisk proces vil fortsætte i en retning, der øger universets samlede entropi. Se figur 15.
3. termodynamiske lov
Tredje lov om termodynamik eller Nersts postulat
Termodynamikkens tredje lov er relateret til temperatur og afkøling. Den siger, at entropien af et system ved det absolutte nulpunkt er en bestemt konstant. Se figur 16.
Absolut nul er den laveste temperatur, under hvilken der ikke længere er et mindre mål, det er den koldeste en krop kan være. Absolut nul er 0 K, svarende til -273,15 ºC.
Konklusion
Der er fire termodynamiske principper. I nul-princippet er det fastslået, at termisk ligevægt opstår, når to eller flere legemer har samme temperatur.
Termodynamikkens første lov omhandler bevarelse af energi mellem processer, mens termodynamikkens anden lov omhandler retningsbestemmelse fra lav til høj entropi og effektiviteten eller ydeevnen af varmemotorer, der omdanner varme til arbejde.
Termodynamikkens tredje lov er relateret til temperatur og afkøling, den siger, at entropien af et system ved det absolutte nulpunkt er en bestemt konstant.