Thermodynamische Prinzipien
Um die weite und komplexe Welt der Thermodynamik auf einfache Weise zu verstehen, wird empfohlen, Schritt für Schritt mit einer Überprüfung der Grundbegriffe, einer Einführung in die thermodynamischen Prinzipien und einer eingehenden Untersuchung der thermodynamischen Gesetze und ihrer Funktionsweise zu beginnen werden mathematisch ausgedrückt und ihre Anwendungen.
Mit den vier Gesetzen der Thermodynamik (Nullgesetz, erstes Gesetz, zweites Gesetz und drittes Gesetz) wird beschrieben, wie die Energieübertragung und -umwandlung zwischen verschiedenen Systemen funktioniert. als Grundlage für das Verständnis vieler physikalisch-chemischer Naturphänomene.
Überprüfung der Grundkonzepte
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Sie können diese Informationen mit dem Artikel ergänzen Die Kraft des Wattschen Gesetzes (Anwendungen - Übungen) Vorerst WIR FOLGEN ...
Energieformen
Energie, die Eigenschaft von Körpern, sich durch Veränderung ihrer Situation oder ihres Zustands zu transformieren, kommt in vielen Formen vor, wie z kinetische Energie, potentielle Energie und innere Energie von Körpern. Siehe Abbildung 1.
Arbeiten
Es ist das Produkt einer Kraft und einer Verschiebung, die beide in die gleiche Richtung gemessen werden. Zur Berechnung der Arbeit wird die Komponente der Kraft verwendet, die parallel zur Verschiebung des Objekts verläuft. Die Arbeit wird in Nm, Joule (J), ft.lb-f oder BTU gemessen. Siehe Abbildung 2.
Hitze (Q)
Übertragung von Wärmeenergie zwischen zwei Körpern, die unterschiedliche Temperaturen haben, und dies nur in dem Sinne, dass die Temperatur abnimmt. Die Wärme wird in Joule, BTU, Pfund-Fuß oder in Kalorien gemessen. Siehe Abbildung 3.
Thermodynamische Prinzipien
Nullgesetz - Nullprinzip
Das Nullgesetz der Thermodynamik besagt, dass, wenn zwei Objekte, A und B, im thermischen Gleichgewicht miteinander sind und Objekt A im Gleichgewicht mit einem dritten Objekt C ist, Objekt B im thermischen Gleichgewicht mit Objekt C ist. Das thermische Gleichgewicht tritt auf wenn zwei oder mehr Körper die gleiche Temperatur haben. Siehe Abbildung 4.
Dieses Gesetz gilt als Grundgesetz der Thermodynamik. Es wurde 1935 als "Nullgesetz" postuliert, da es nach dem ersten und zweiten Hauptsatz der Thermodynamik postuliert wurde.
1. Hauptsatz der Thermodynamik (Prinzip der Energieerhaltung)
Erklärung des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik:
Der erste Hauptsatz der Thermodynamik, auch als Prinzip der Energieerhaltung bekannt, besagt, dass Energie nicht erzeugt oder zerstört wird, sondern nur in eine andere Art von Energie umgewandelt oder von einem Objekt auf ein anderes übertragen wird. Somit ändert sich die Gesamtenergiemenge im Universum nicht.
Das erste Gesetz ist in "allem" erfüllt, Energie wird kontinuierlich übertragen und umgewandelt, zum Beispiel in einigen elektrischen Geräten wie Mischern und Mischern, elektrische Energie wird in mechanische und thermische Energie umgewandelt, im menschlichen Körper werden sie die Chemikalie umgewandelt Energie von Lebensmitteln, die während der Bewegung des Körpers in kinetische Energie aufgenommen werden, oder andere Beispiele wie die in Abbildung 5 gezeigten.
Gleichung des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik:
Die Gleichung des ersten Hauptsatzes innerhalb der thermodynamischen Prinzipien drückt das Gleichgewicht aus, das zwischen den verschiedenen Energiearten in einem bestimmten Prozess bestehen muss. Da in geschlossenen Systemen [1] der Energieaustausch nur durch Wärmeübertragung oder durch die (von oder am System) geleistete Arbeit möglich ist, wird festgestellt, dass die Energieänderung eines Systems gleich der Energiesumme ist überträgt durch Wärme und durch Arbeit. Siehe Abbildung 6.
In Anbetracht der Tatsache, dass die in dieser Energiebilanz berücksichtigten Energien kinetische Energie, potentielle Energie und innere Energie sind [1], bleibt die Energiebilanz für geschlossene Systeme wie in Abbildung 7 dargestellt.
- (ec) Kinetische Energie , aufgrund der Bewegung eines Körpers;
- (ep) Potenzielle Energie, aufgrund der Position eines Körpers in einem Gravitationsfeld;
- (ODER) Innere Energie , aufgrund der mikroskopischen Beiträge der kinetischen und potentiellen Energie der inneren Moleküle eines Körpers.
Übung 1.
Ein versiegelter Behälter enthält eine Substanz mit einer Anfangsenergie von 10 kJ. Die Substanz wird mit einem Propeller gerührt, der 500 J Arbeit leistet, während eine Wärmequelle 20 kJ Wärme auf die Substanz überträgt. Zusätzlich werden während des Prozesses 3 kJ Wärme an die Luft abgegeben. Bestimmen Sie die Endenergie des Stoffes. Siehe Abbildung 8.
Lösung:
In Abbildung 9 sehen Sie die von der Wärmequelle zugeführte Wärme, die als "positiv" angesehen wird, da sie die Energie des Stoffes erhöht, die Wärme, die an die Luft abgegeben wird, negativ, da sie die Energie des Stoffes verringert, und die Die Arbeit des Propellers, die die Energie erhöhte, nahm ein positives Zeichen.
In Abbildung 10 ist die Energiebilanz nach dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik dargestellt und die Endenergie der Substanz erhalten.
Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik
Es gibt mehrere Aussagen zum zweiten Hauptsatz der Thermodynamik: Aussage von Planck-Kelvin, Clausius, Carnot. Jeder von ihnen zeigt einen anderen Aspekt des zweiten Gesetzes. Im Allgemeinen postuliert der zweite Hauptsatz der Thermodynamik:
- Die Richtung thermodynamischer Prozesse, Irreversibilität physikalischer Phänomene.
- Der Wirkungsgrad von thermischen Maschinen.
- Geben Sie die Eigenschaft "Entropie" ein.
Richtung thermodynamischer Prozesse:
In der Natur fließt spontan Energie oder wird vom höchsten Energiezustand in den niedrigsten Energiezustand übertragen. Wärme fließt von heißen zu kalten Körpern und nicht umgekehrt. Siehe Abbildung 11.
Wirkungsgrad oder Wärmeleistung:
Nach dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik wird Energie weder erzeugt noch zerstört, sondern kann umgewandelt oder übertragen werden. Bei allen Energieübertragungen oder -transformationen ist ein Teil davon jedoch nicht sinnvoll, um Arbeit zu leisten. Wenn Energie übertragen oder umgewandelt wird, wird ein Teil der Anfangsenergie als Wärmeenergie freigesetzt: Energie verschlechtert sich, verliert an Qualität.
Bei jeder Energieumwandlung ist die gewonnene Energiemenge immer geringer als die zugeführte Energie. Der Wärmewirkungsgrad ist die Wärmemenge von der Quelle, die in Arbeit umgewandelt wird, das Verhältnis zwischen der erhaltenen nutzbaren Energie und der bei einer Umwandlung gelieferten Energie. Siehe Abbildung 12.
Wärmemaschine oder Wärmemaschine:
Die thermische Maschine ist ein Gerät, das Wärme teilweise in Arbeit oder mechanische Energie umwandelt, für die eine Quelle benötigt wird, die Wärme bei hohen Temperaturen liefert.
In thermischen Maschinen wird eine Substanz wie Wasserdampf, Luft oder Kraftstoff verwendet. Die Substanz durchläuft zyklisch eine Reihe von thermodynamischen Umwandlungen, so dass die Maschine kontinuierlich arbeiten kann.
Übung 2.
Der Motor eines Lastkraftwagens erzeugt bei der Verbrennung Wärme, indem er Benzin verbrennt. Für jeden Motorzyklus wird die Wärme von 5 kJ in 1 kJ mechanische Arbeit umgewandelt. Was ist der Wirkungsgrad des Motors? Wie viel Wärme wird für jeden Motorzyklus freigesetzt? Siehe Abbildung 13
Lösung:
Zur Bestimmung der freigesetzten Wärme wird angenommen, dass bei thermischen Maschinen das Netz gleich der Nettowärmeübertragung auf das System ist. Siehe Abbildung 14.
Entropie:
Entropie ist der Grad der Zufälligkeit oder Störung in einem System. Die Entropie ermöglicht es, den Teil der Energie zu quantifizieren, der nicht zur Erzeugung von Arbeit verwendet werden kann, dh die Irreversibilität eines thermodynamischen Prozesses zu quantifizieren.
Jede Energieübertragung erhöht die Entropie des Universums und verringert die Menge an nutzbarer Energie, die für die Arbeit zur Verfügung steht. Jeder thermodynamische Prozess verläuft in eine Richtung, die die Gesamtentropie des Universums erhöht. Siehe Abbildung 15.
3. Hauptsatz der Thermodynamik
Dritter Hauptsatz der Thermodynamik oder Nerst-Postulat
Der dritte Hauptsatz der Thermodynamik bezieht sich auf Temperatur und Kühlung. Es besagt, dass die Entropie eines Systems am absoluten Nullpunkt eine bestimmte Konstante ist. Siehe Abbildung 16.
Absoluter Nullpunkt ist die niedrigste Temperatur, unter der es kein niedrigeres Maß mehr gibt. Es ist die kälteste, die ein Körper sein kann. Der absolute Nullpunkt ist 0 K, was -273,15 ºC entspricht.
Fazit
Es gibt vier thermodynamische Prinzipien. Im Nullprinzip wird festgestellt, dass ein thermisches Gleichgewicht auftritt, wenn zwei oder mehr Körper die gleiche Temperatur haben.
Der erste Hauptsatz der Thermodynamik befasst sich mit der Energieeinsparung zwischen Prozessen, während der zweite Hauptsatz der Thermodynamik die Richtwirkung von der niedrigsten zur höchsten Entropie und den Wirkungsgrad oder die Leistung von Wärmekraftmaschinen behandelt, die Wärme in Arbeit umwandeln.
Der dritte Hauptsatz der Thermodynamik bezieht sich auf Temperatur und Kühlung. Er besagt, dass die Entropie eines Systems am absoluten Nullpunkt eine bestimmte Konstante ist.