Termodynaamiset periaatteet

Termodynamiikan laajan ja monimutkaisen maailman ymmärtämiseksi on suositeltavaa mennä askel askeleelta alkaen tarkastelemalla perustermejä, tutustumalla termodynaamisiin periaatteisiin ja tutkimalla sitten syvemmin termodynaamisia lakeja, miten ne ilmaistaan ​​matemaattisesti ja sen sovellukset.

Termodynamiikan neljän lain (nollalaki, ensimmäinen laki, toinen laki ja kolmas laki) avulla kuvataan kuinka energian siirrot ja muunnokset eri järjestelmien välillä toimivat; on perusta ymmärtämään monia luonnon fysikaalis-kemiallisia ilmiöitä.

Katsaus peruskäsitteisiin

Kutsumme sinut tutustumaan artikkeliin TERMODYNAMIIKKA, mikä se on ja sen sovellukset

Voit täydentää näitä tietoja artikkelilla Watin lain voima (sovellukset - harjoitukset) Toistaiseksi ME SEURAAMME ...

Energian muodot

Energiaa, kehojen omaisuutta muuttaa itsensä muuttamalla tilannettaan tai tilaa, tulee monessa muodossa, kuten kineettinen energia, potentiaalienergia ja ruumiiden sisäinen energia. Katso kuva 1.

Työ

Se on voiman ja siirtymän tulo, molemmat samaan suuntaan mitattuna. Työn laskemiseen käytetään voiman komponenttia, joka on yhdensuuntainen kohteen siirtymän kanssa. Työ mitataan Nm, Joule (J), ft.lb-f tai BTU. Katso kuva 2.

Lämpö (Q)

Lämpöenergian siirto kahden ruumiin välillä, jotka ovat eri lämpötiloissa, ja se tapahtuu vain siinä mielessä, että lämpötila laskee. Lämpö mitataan jouleina, BTU: na, punta-jalkoina tai kaloreina. Katso kuva 3.

Termodynaamiset periaatteet

Nolla laki - nolla periaate

Termodynamiikan nollalaki toteaa, että jos kaksi objektia, A ja B, ovat termisessä tasapainossa keskenään ja esine A on tasapainossa kolmannen objektin C kanssa, niin esine B on termisessä tasapainossa kohteen C kanssa. Lämpötasapaino esiintyy kun kaksi tai useampia kappaleita on samassa lämpötilassa. Katso kuva 4.

Tätä lakia pidetään termodynamiikan peruslakina. Se postuloitiin nimellä "Zero Law", vuonna 1935, koska se postuloitiin sen jälkeen kun ensimmäinen ja toinen termodynamiikan laki oli tehty.

1. termodynamiikan laki (energian säästämisen periaate)

Lausunto termodynamiikan ensimmäisestä laista:

Ensimmäisessä termodynamiikan laissa, joka tunnetaan myös energian säästämisen periaatteena, todetaan, että energiaa ei luoda tai tuhota, se muuttuu vain toisentyyppiseksi energiaksi tai se siirtyy esineestä toiseen. Siten maailmankaikkeuden energiamäärä ei muutu.

Ensimmäinen laki täyttyy kaikessa, energiaa siirretään ja muunnetaan jatkuvasti, esimerkiksi joissakin sähkölaitteissa, kuten sekoittimissa ja sekoittimissa, sähköenergia muuttuu mekaaniseksi ja lämpöenergiaksi, ihmiskehossa ne muuttuvat kemikaaleiksi ruoan energia, joka nautitaan kineettiseksi energiaksi kehon liikkuessa, tai muut esimerkit, kuten kuvassa 5 esitetyt.

Ensimmäisen termodynamiikan lain yhtälö:

Termodynaamisten periaatteiden ensimmäinen lakiyhtälö ilmaisee tasapainon, joka täytyy olla olemassa tietyn prosessin erityyppisten energioiden välillä. Koska suljetussa järjestelmässä [1] energianvaihto voidaan antaa vain lämmönsiirrolla tai tekemällä (järjestelmän tai sen päällä) tekemällä työllä, todetaan, että järjestelmän energian vaihtelu on yhtä suuri kuin summa energiansiirrot lämmön ja työn kautta. Katso kuva 6.

Ottaen huomioon, että tässä energiataseessa huomioon otetut energiat ovat kineettistä energiaa, potentiaalienergiaa ja sisäistä energiaa [1], suljettujen järjestelmien energiatase säilyy kuvan 7 mukaisesti.

• (ec) Kineettinen energia , ruumiin liikkeen vuoksi;
• (ep) Mahdollinen energia, johtuen ruumiin asemasta painovoimakentässä;
• (TAI) Sisäinen energia , kehon sisäisten molekyylien kineettisen ja potentiaalisen energian mikroskooppisen vaikutuksen vuoksi.

Harjoitus 1.

Suljettu astia sisältää ainetta, jonka alkuenergia on 10 kJ. Ainetta sekoitetaan potkurin kanssa, joka tekee 500 J: n työtä, kun taas lämmönlähde siirtää aineeseen 20 kJ lämpöä. Lisäksi 3 kJ lämpöä vapautuu ilmaan prosessin aikana. Määritä aineen lopullinen energia. Katso kuva 8.

ratkaisu:

Kuvassa 9 näkyy lämmönlähteen lisäämä lämpö, ​​jota pidetään "positiivisena", koska se lisää aineen energiaa, ilmaan vapautuvaa lämpöä, negatiivista, koska se vähentää aineen energiaa, ja spiraalin työ, joka lisäsi energiaa, otti positiivisen merkin.

Kuvassa 10 esitetään energiatase ensimmäisen termodynamiikan lain mukaan ja saadaan aineen lopullinen energia.

Termodynamiikan toinen laki

Termodynamiikan toisesta laista on olemassa useita lausuntoja: Planck-Kelvinin, Clausiusin, Carnotin lausuma. Kukin heistä osoittaa toisen lain toisen näkökulman. Yleensä termodynamiikan toinen laki postuloi:

• Termodynaamisten prosessien suunta, fyysisten ilmiöiden peruuttamattomuus.
• Lämpökoneiden tehokkuus.
• Syötä ominaisuus "entropia".

Termodynaamisten prosessien suunta:

Spontaanisti luonnossa energia virtaa tai siirtyy korkeimmasta energiatilasta alimpaan energiatilaan. Lämpö virtaa kuumista kappaleista kylmiin kappaleisiin eikä päinvastoin. Katso kuva 11.

Tehokkuus tai lämpöteho:

Ensimmäisen termodynamiikan lain mukaan energiaa ei luoda eikä tuhota, mutta se voidaan muuntaa tai siirtää. Kaikissa energiansiirroissa tai muunnoksissa ei kuitenkaan ole hyödyllistä tehdä työtä. Kun energiaa siirretään tai muunnetaan, osa lähtöenergiasta vapautuu lämpöenergiana: energia heikkenee, menettää laatua.

Kaikissa energian muunnoksissa saatu energiamäärä on aina pienempi kuin syötetty energia. Lämpötehokkuus on lähteestä syntyvän lämmön määrä, joka muuttuu työksi, saadun hyötyn ja muunnoksessa syötetyn energian suhde. Katso kuva 12.

Lämpökone tai lämpökone:

Lämpökone on laite, joka muuntaa lämmön osittain työ- tai mekaaniseksi energiaksi, joten se vaatii lähteen, joka toimittaa lämpöä korkeassa lämpötilassa.

Lämpökoneissa käytetään esimerkiksi vesihöyryä, ilmaa tai polttoainetta. Aineelle tehdään useita termodynaamisia muutoksia syklisesti, jotta kone voi toimia jatkuvasti.

Harjoitus 2.

Lasti-ajoneuvon moottori tuottaa polttolämmössä polttamalla bensiiniä. Kutakin moottorin jaksoa kohden 5 kJ: n lämpö muunnetaan 1 kJ mekaaniseksi työksi. Mikä on moottorin hyötysuhde? Kuinka paljon lämpöä vapautuu moottorin kutakin jaksoa kohden? Katso kuva 13

ratkaisu:

Vapautuvan lämmön määrittämiseksi oletetaan, että lämpökoneissa nettotyö on yhtä suuri kuin järjestelmän lämmönsiirto järjestelmään. Katso kuva 14.

Haje:

Entropia on järjestelmän satunnaisuuden tai häiriön aste. Entropia mahdollistaa kvantifioida sen energian osan, jota ei voida käyttää työn tuottamiseen, toisin sanoen se mahdollistaa kvantifioida termodynaamisen prosessin peruuttamattomuuden.

Jokainen tapahtuva energiansiirto lisää maailmankaikkeuden entropiaa ja vähentää työn tekemiseen käytettävissä olevan energian määrää. Mikä tahansa termodynaaminen prosessi etenee suuntaan, joka lisää maailmankaikkeuden kokonais entropiaa. Katso kuva 15.

3. termodynamiikan laki

Kolmas termodynamiikan laki tai Nerst-postulaatti

Kolmas termodynamiikan laki liittyy lämpötilaan ja jäähdytykseen. Siinä todetaan, että absoluuttisella nollalla olevan järjestelmän entropia on selvä vakio. Katso kuva 16.

Absoluuttinen nolla on alin lämpötila, jonka alapuolella ei ole enää matalampaa mittausta, se on kylmin, mitä keho voi olla. Absoluuttinen nolla on 0 K, mikä vastaa -273,15 ºC.

Johtopäätös

Termodynaamisia periaatteita on neljä. Nollaperiaatteessa todetaan, että terminen tasapaino tapahtuu, kun kaksi tai useampia kappaleita on samassa lämpötilassa.

Termodynamiikan ensimmäinen laki käsittelee energiansäästöä prosessien välillä, kun taas toinen termodynamiikan laki käsittelee suunnan alimmasta suurimpaan entropiaan ja lämpöä moottoriksi muuttavien lämpökoneiden tehokkuutta tai suorituskykyä.

Kolmas termodynamiikan laki liittyy lämpötilaan ja jäähdytykseen, siinä todetaan, että absoluuttisella nollalla olevan järjestelmän entropia on selvä vakio.