Termodünaamilised põhimõtted

Termodünaamika laia ja keerulise maailma lihtsaks mõistmiseks on soovitatav minna samm-sammult, alustades põhiterminite ülevaatamisest, tutvustades termodünaamilisi põhimõtteid ja uurides seejärel põhjalikumalt termodünaamikaseadusi, kuidas need on väljendatud matemaatiliselt ja selle rakendused.

Termodünaamika nelja seadusega (nullseadus, esimene seadus, teine ​​seadus ja kolmas seadus) kirjeldatakse, kuidas toimivad energia ülekanded ja muundumised erinevate süsteemide vahel; olles paljude looduse füüsikalis-keemiliste nähtuste mõistmise aluseks.

Põhimõistete ülevaade

Kutsume teid artiklit vaatama Termodünaamika, mis see on ja selle rakendused

Seda teavet saate artikliga täiendada Wati seaduse jõud (rakendused - harjutused) esialgu JÄLGIME ...

Energiavormid

Energia, kehade omadus end muuta, muutes oma olukorda või olekut, esineb mitmel kujul, näiteks kineetiline energia, potentsiaalne energia ja kehade siseenergia. Vaata joonist 1.

Töö

See on jõu ja nihke korrutis, mõõdetuna mõlemas suunas. Töö arvutamiseks kasutatakse jõu nihkega paralleelset jõu komponenti. Töö mõõdetakse Nm, Joule (J), ft.lb-f või BTU. Vaata joonist 2.

Kuumus (Q)

Soojusenergia ülekandmine kahe erineval temperatuuril asuva keha vahel ja see toimub ainult selles mõttes, et temperatuur langeb. Soojust mõõdetakse jouledes, BTU-des, naelades või kalorites. Vaata joonist 3.

Termodünaamilised põhimõtted

Null seadus - null põhimõte

Termodünaamika nullseadus ütleb, et kui kaks objekti, A ja B, on üksteisega termilises tasakaalus ja objekt A on tasakaalus kolmanda objektiga C, siis objekt B on termilises tasakaalus objektiga C. Termiline tasakaal tekib kui kaks või enam keha on samal temperatuuril. Vaata joonist 4.

Seda seadust peetakse termodünaamika põhiseaduseks. See postuleeriti 1935. aastal kui "nullseadus", kuna see postuleeriti pärast esimese ja teise termodünaamikaseaduse tegemist.

1. termodünaamika seadus (energia säästmise põhimõte)

Esimese termodünaamikaseaduse avaldus:

Termodünaamika esimene seadus, tuntud ka kui energia säästmise põhimõte, ütleb, et energiat ei looda ega hävitata, see muudetakse ainult teist tüüpi energiaks või kantakse ühest objektist teise. Seega kogu energia hulk universumis ei muutu.

Esimene seadus on täidetud „kõiges”, energiat edastatakse ja muundatakse pidevalt, näiteks mõnes elektriseadmes, näiteks segistites ja segistites, muundatakse elektrienergia mehaaniliseks ja soojusenergiaks, inimkehas aga keemiliseks toidu liikumine kineetiliseks energiaks keha liikumisel või muud näited, nagu joonisel 5 näidatud.

Esimese termodünaamikaseaduse võrrand:

Esimese seaduse võrrand termodünaamiliste põhimõtete piires väljendab tasakaalu, mis peab olema antud protsessis eri tüüpi energia vahel. Kuna suletud süsteemides [1] saab energiavahetusi anda ainult soojuse ülekandega või tehtud tööga (süsteemi poolt või peal), siis tehakse kindlaks, et süsteemi energia variatsioon on võrdne energia ülekandmine soojuse ja töö kaudu. Vaata joonist 6.

Arvestades, et selles energiabilansis vaadeldavad energiad on kineetiline energia, potentsiaalne energia ja siseenergia [1], jääb suletud süsteemide energiabilanss, nagu on näidatud joonisel 7.

• (ec) Kineetiline energia , keha liikumise tõttu;
• (ep) Potentsiaalne energia, keha asukoha tõttu gravitatsiooniväljas;
• (VÕI) Siseenergia, keha sisemolekulide kineetilise ja potentsiaalse energia mikroskoopilise panuse tõttu.

1 treening

Suletud anum sisaldab ainet, mille algenergia on 10 kJ. Aine segatakse propelleriga, mis töötab 500 J tööd, samal ajal kui soojusallikas kannab ainele 20 kJ soojust. Lisaks eraldub protsessi käigus õhku 3kJ soojust. Määrake aine lõplik energia. Vaata joonist 8.

lahendus:

Joonisel 9 on näha soojusallika lisatud soojus, mida peetakse positiivseks, kuna see suurendab aine energiat, õhku eralduv soojus on negatiivne, kuna see vähendab aine energiat ja sõukruvi töö, mis suurendas energiat, võttis positiivse märgi.

Joonisel 10 on esitatud energiabilanss vastavalt termodünaamika esimesele seadusele ja saadakse aine lõplik energia.

Termodünaamika teine ​​seadus

Termodünaamika teises seaduses on mitu väidet: Planck-Kelvini, Clausiuse, Carnoti avaldus. Igaüks neist näitab teise seaduse erinevat aspekti. Üldiselt postuleerib termodünaamika teine ​​seadus:

• Termodünaamiliste protsesside suund, füüsikaliste nähtuste pöördumatus.
• Termiliste masinate efektiivsus.
• Sisestage atribuut "entroopia".

Termodünaamiliste protsesside suund:

Spontaanselt looduses voolab energia või viiakse see kõige kõrgemast energiaolekust madalaima energia olekusse. Soojus voolab kuumadest kehadest külmadesse ja mitte vastupidi. Vaata joonist 11.

Efektiivsus või soojuslik toimivus:

Esimese termodünaamikaseaduse kohaselt ei looda ega hävitata energiat, kuid seda saab muundada või üle kanda. Kuid kõigi energiaülekannete või muundamiste korral pole sellest palju kasu töö tegemiseks. Energia ülekandmisel või muundamisel vabaneb osa algenergiast soojusenergiana: energia laguneb, kaob kvaliteet.

Mis tahes energia muundamisel on saadud energia hulk alati väiksem kui tarnitud energia. Soojuslik efektiivsus on allikast tulenev soojuse kogus, mis muundatakse tööks, saadud kasuliku energia ja muundamisel tarnitud energia suhe. Vaata joonist 12.

Termiline masin või soojusmasin:

Soojusmootor on seade, mis muundab osaliselt soojuse töö- või mehaaniliseks energiaks, mille jaoks on vaja kõrgel temperatuuril soojusallikat.

Soojusmasinates kasutatakse sellist ainet nagu veeaur, õhk või kütus. Aine läbib tsükliliselt rea termodünaamilisi muundumisi, et masin saaks pidevalt töötada.

2 treening

Kaubasõiduki mootor toodab bensiini põletades põlemisel soojust. Mootori iga tsükli korral muudetakse 5 kJ soojus 1 kJ mehaaniliseks tööks. Mis on mootori efektiivsus? Kui palju soojust eraldub mootori iga tsükli kohta? Vaata joonist 13

lahendus:

Vabaneva soojuse määramiseks eeldatakse, et soojusseadmetes on võrgu töö võrdne süsteemi soojusülekandega. Vaata joonist 14.

Entroopia:

Entroopia on süsteemi juhuslikkuse või häire aste. Entroopia võimaldab kvantifitseerida selle energia osa, mida ei saa töö tootmiseks kasutada, see tähendab kvantifitseerida termodünaamilise protsessi pöördumatust.

Iga toimuv energiaülekanne suurendab universumi entroopiat ja vähendab töö tegemiseks kasutatava kasutatava energia hulka. Iga termodünaamiline protsess kulgeb suunas, mis suurendab universumi kogu entroopiat. Vaata joonist 15.

3. termodünaamika seadus

Kolmas termodünaamikaseadus ehk Nersti postulaat

Termodünaamika kolmas seadus on seotud temperatuuri ja jahutamisega. Selles öeldakse, et absoluutsel nullil oleva süsteemi entroopia on kindel konstant. Vaata joonist 16.

Absoluutne null on madalaim temperatuur, mille all madalamat mõõdet enam pole, see on kõige külmem, mis keha olla saab. Absoluutne null on 0 K, mis vastab –273,15 ºC.

Järeldus

Termodünaamilisi põhimõtteid on neli. Nullprintsiibis on kindlaks tehtud, et termiline tasakaal tekib siis, kui kaks või enam keha on samal temperatuuril.

Esimene termodünaamikaseadus käsitleb protsesside vahelist energia säästmist, teine ​​termodünaamikaseade aga suunda alumisest kuni kõrgeima entroopiani ning soojuse tööks muundavate soojusmootorite efektiivsust või jõudlust.

Termodünaamika kolmas seadus on seotud temperatuuri ja jahutamisega, see ütleb, et absoluutse nulli süsteemi entroopia on kindel konstant.