Termodinamikaj Principoj
Por facile kompreni la vastan kaj kompleksan mondon de Termodinamiko, oni rekomendas iri paŝon post paŝo komencante per revizio de bazaj terminoj, enkonduko al termodinamikaj principoj, kaj poste pli profunde studanta la termodinamikajn leĝojn, kiel ili estas esprimitaj matematike.kaj ĝiaj aplikoj.
Kun la kvar leĝoj de termodinamiko (nula leĝo, unua leĝo, dua leĝo kaj tria leĝo), estas priskribite kiel funkcias la translokigoj kaj transformoj de energio inter malsamaj sistemoj; estante la bazo por kompreni multajn fizikokemiajn naturajn fenomenojn.
Revizio de bazaj konceptoj
Ni invitas vin vidi la artikolon TERMODINAMIKO, kio ĝi estas kaj ĝiaj aplikoj
Vi povas kompletigi ĉi tiujn informojn per la artikolo La Potenco de la Leĝo de Vato (Aplikoj - Ekzercoj) Nuntempe Ni sekvas ...
Formoj de energio
Energio, la posedaĵo de korpoj transformi sin per modifo de ilia situacio aŭ stato, aperas en multaj formoj, ekzemple kineta energio, potenciala energio kaj interna energio de korpoj. Vidu figuron 1.
Laboro
Ĝi estas produkto de forto kaj movo, ambaŭ mezuritaj en la sama direkto. Por kalkuli la laboron, oni uzas la komponanton de la forto paralela al la movo de la objekto. Laboro estas mezurita per Nm, Joule (J), ft.lb-f aŭ BTU. Vidu figuron 2.
Varmo (Q)
Translokigo de varmenergio inter du korpoj, kiuj estas je malsamaj temperaturoj, kaj ĝi okazas nur en la senco, ke la temperaturo malpliiĝas. Varmeco mezuras en leulo, BTU, funtoj-piedoj aŭ en kalorioj. Vidu figuron 3.
Termodinamikaj Principoj
Nula Leĝo - Nula Principo
La nula leĝo de termodinamiko asertas, ke se du objektoj, A kaj B, estas en terma ekvilibro inter si, kaj objekto A estas en ekvilibro kun tria objekto C, tiam objekto B estas en termika ekvilibro kun objekto C. La Termika ekvilibro okazas kiam du aŭ pli da korpoj estas ĉe la sama temperaturo. Vidu figuron 4.
Ĉi tiu leĝo estas konsiderata baza leĝo de termodinamiko. Ĝi estis postulita kiel "Nula Leĝo" en 1935, ĉar ĝi estis postulita post kiam la unua kaj dua leĝoj de termodinamiko estis kreitaj.
Unua Leĝo de Termodinamiko (Principo de konservado de energio)
Deklaro de la Unua Leĝo de Termodinamiko:
La unua leĝo de termodinamiko, ankaŭ konata kiel principo de konservado de energio, asertas, ke energio ne estas kreita aŭ detruita, ĝi nur transformiĝas en alian specon de energio aŭ ĝi estas transdonita de unu objekto al alia. Tiel la totala kvanto de energio en la universo ne ŝanĝiĝas.
La unua leĝo plenumiĝas en "ĉio", energio estas translokigita kaj transformita kontinue, ekzemple en iuj elektraj aparatoj, kiel miksiloj kaj likvigiloj, elektra energio transformiĝas en mekanikan kaj termikan energion, en la homa korpo ili transformiĝas la kemia energio de manĝaĵo, kiu estas konsumita en kinetan energion kiam la korpo moviĝas, aŭ aliajn ekzemplojn kiel tiujn montritajn en figuro 5.
Ekvacio de la Unua Leĝo de Termodinamiko:
La ekvacio de la unua leĝo ene de la termodinamikaj principoj esprimas la ekvilibron, kiu devas ekzisti inter la malsamaj specoj de energio en donita procezo. Ĉar, en fermitaj sistemoj [1], la energiaj interŝanĝoj povas esti donitaj nur per la translokigo de varmeco, aŭ per la farita laboro (per aŭ sur la sistemo) oni konstatas, ke la energia variado de sistemo egalas al la sumo de energiaj translokigoj per varmo kaj per laboro. Vidu figuron 6.
Konsiderante, ke la energioj konsiderataj en ĉi tiu energia ekvilibro estas kineta energio, potenciala energio kaj interna energio [1], la energia ekvilibro por fermitaj sistemoj restas kiel montrita en figuro 7.
- (ek) Kineta energio, pro la movado de korpo;
- (ep) Potenciala energio, pro la pozicio de korpo en gravita kampo;
- (A)) Interna energio, pro la mikroskopaj kontribuoj de la kineta kaj potenciala energio de la internaj molekuloj de korpo.
Ekzerco 1.
Fermita ujo enhavas substancon, kun komenca energio de 10 kJ. La substanco estas kirlita per helico kiu funkcias 500 J, dum varmofonto transigas 20 kJ da varmeco al la substanco. Krome 3kJ da varmego liberiĝas en la aeron dum la procezo. Determinu la finan energion de la substanco. Vidu figuron 8.
Solvo:
En figuro 9 vi povas vidi la varmon aldonitan de la varmofonto, kiu estas konsiderata "pozitiva" ĉar ĝi pliigas la energion de la substanco, la varmon liberigitan en la aeron, negativan ĉar ĝi malpliigas la energion de la substanco, kaj la laboro de la helico, kiu pliigis la energion, prenis pozitivan signon.
En figuro 10 oni prezentas la energian ekvilibron, laŭ la unua leĝo de termodinamiko kaj akiras la finan energion de la substanco.
Dua leĝo de termodinamiko
Estas pluraj asertoj de la dua leĝo de termodinamiko: Aserto de Planck-Kelvin, Klaŭzio, Carnot. Ĉiu el ili montras malsaman aspekton de la dua leĝo. Ĝenerale la dua leĝo de termodinamiko postulas:
- La direkto de termodinamikaj procezoj, neinversigebleco de fizikaj fenomenoj.
- La efikeco de termikaj maŝinoj.
- Enigu la posedaĵon "entropio".
Direkto de termodinamikaj procezoj:
Spontanee en naturo, energio fluas aŭ transiĝas de la plej alta energia stato al la plej malalta energia stato. Varmeco fluas de varmaj korpoj al malvarmaj korpoj kaj ne male. Vidu figuron 11.
Efikeco aŭ termika agado:
Laŭ la unua leĝo de termodinamiko, energio estas nek kreita nek detruita, sed ĝi povas esti transformita aŭ transdonita. Sed en ĉiuj energiaj translokigoj aŭ transformoj kvanto da ĝi ne utilas por labori. Dum energio transiĝas aŭ transformiĝas, parto de la komenca energio liberiĝas kiel varmenergio: energio degradas, perdas kvaliton.
En iu ajn energia transformo, la kvanto de energio akirita estas ĉiam malpli ol la energio provizita. Termika efikeco estas la kvanto de varmeco de la fonto transformita en laboron, la rilatumo inter la akirita utila energio kaj la energio provizita en transformo. Vidu figuron 12.
Termika Maŝino aŭ Varma Maŝino:
La termika maŝino estas aparato, kiu parte transformas varmon en laboran aŭ mekanikan energion, por tio ĝi bezonas fonton, kiu provizas varmon je alta temperaturo.
En termikaj maŝinoj oni uzas substancon kiel akvan vaporon, aeron aŭ brulaĵon. La substanco spertas serion de termodinamikaj transformoj cikle, tiel ke la maŝino povas funkcii senĉese.
Ekzerco 2.
La motoro de kargoveturilo produktas varmon en bruligado per bruligado de benzino. Por ĉiu ciklo de la motoro, la varmeco de 5 kJ estas transformita en 1kJ de mekanika laboro. Kio estas la efikeco de la motoro? Kiom da varmego liberiĝas por ĉiu ciklo de la motoro? Vidu figuron 13
Solvo:
Por determini la liberigitan varmon, oni supozas, ke en termikaj maŝinoj la neta laboro egalas al la neta varmotransigo al la sistemo. Vidu figuron 14.
Entropio:
Entropio estas la grado de hazardo aŭ malordo en sistemo. Entropio ebligas kvantigi la parton de la energio neuzebla por produkti laboron, do ebligas kvantigi la neinversigeblecon de termodinamika procezo.
Ĉiu energitransigo kiu okazas pliigas la entropion de la universo kaj reduktas la kvanton de uzebla energio havebla por fari laboron. Ĉiu termodinamika procezo procedos en direkto kiu pliigas la tutan entropion de la universo. Vidu figuron 15.
3a Leĝo de Termodinamiko
Tria Leĝo de Termodinamiko aŭ Nerst Postulate
La tria leĝo de termodinamiko rilatas al temperaturo kaj malvarmigo. Ĝi diras, ke la entropio de sistemo ĉe absoluta nulo estas definitiva konstanto. Vidu figuron 16.
Absoluta nulo estas la plej malalta temperaturo sub kiu ne plu estas pli malalta mezuro, ĝi estas la plej malvarma, ke korpo povas esti. Absoluta nulo estas 0 K, ekvivalenta al -273,15 ºC.
konkludo
Estas kvar termodinamikaj principoj. En la nula principo oni konstatas, ke termika ekvilibro okazas kiam du aŭ pli da korpoj estas ĉe la sama temperaturo.
La unua leĝo de termodinamiko traktas la konservadon de energio inter procezoj, dum la dua leĝo de termodinamiko traktas la direktecon de plej malalta al plej alta entropio, kaj la efikeco aŭ agado de varmaj motoroj, kiuj transformas varmon en laboron.
La tria leĝo de termodinamiko rilatas al temperaturo kaj malvarmigo, ĝi konstatas, ke la entropio de sistemo ĉe absoluta nulo estas definitiva konstanto.