Termodinamički principi

Da biste na lak način razumjeli širok i složen svijet termodinamike, preporučuje se ići korak po korak, počevši od pregleda osnovnih pojmova, uvoda u termodinamičke principe, a zatim dublje proučavajući termodinamičke zakone, kako oni djeluju izraženi su matematički.i njegove primjene.

S četiri zakona termodinamike (nulti zakon, prvi zakon, drugi zakon i treći zakon) opisano je kako funkcioniraju prijenosi i transformacije energije između različitih sustava; biti osnova za razumijevanje mnogih fizikalno-kemijskih pojava prirode.

Pregled osnovnih pojmova

Pozivamo vas da pogledate članak TERMODINAMIKA, što je to i njegove primjene

Ove podatke možete nadopuniti člankom Snaga Watovog zakona (Primjene - vježbe) Zasad PRATIMO ...

Oblici energije

Energija, svojstvo tijela da se transformiraju mijenjajući svoju situaciju ili stanje, ima u mnogim oblicima, kao što su kinetička energija, potencijalna energija i unutarnja energija tijela. Pogledajte sliku 1.

Raditi

Produkt je sile i pomaka, oba mjerena u istom smjeru. Za izračunavanje rada koristi se komponenta sile koja je paralelna s pomakom predmeta. Rad se mjeri u Nm, Joule (J), ft.lb-f ili BTU. Pogledajte sliku 2.

Toplina (Q)

Prijenos toplinske energije između dva tijela koja su na različitim temperaturama, a događa se samo u smislu da temperatura opada. Toplina se mjeri u džulima, BTU, kilogramima ili kalorijama. Pogledajte sliku 3.

Termodinamički principi

Nulti zakon - nulti princip

Nulti zakon termodinamike kaže da ako su dva objekta, A i B, međusobno u toplinskoj ravnoteži, a objekt A u ravnoteži s trećim objektom C, tada je objekt B u toplinskoj ravnoteži s objektom C. Dolazi do toplinske ravnoteže kad su dva ili više tijela na istoj temperaturi. Pogledajte sliku 4.

Ovaj se zakon smatra osnovnim zakonom termodinamike. Bio je postavljen kao "Nulti zakon", 1935. godine, budući da je postuliran nakon donošenja prvog i drugog zakona termodinamike.

1. zakon termodinamike (načelo očuvanja energije)

Izjava o prvom zakonu termodinamike:

Prvi zakon termodinamike, poznat i kao princip očuvanja energije, kaže da se energija ne stvara ili uništava, ona se samo transformira u drugu vrstu energije ili se prenosi s jednog objekta na drugi. Stoga se ukupna količina energije u svemiru ne mijenja.

Prvi se zakon ispunjava u "svemu", energija se prenosi i kontinuirano transformira, na primjer, u nekim električnim uređajima, poput miješalica i miješalica, električna energija se pretvara u mehaničku i toplinsku energiju, u ljudskom tijelu oni transformiraju kemijsku energija hrane koja se unosi u kinetičku energiju kada je tijelo u pokretu, ili drugi primjeri poput onih prikazanih na slici 5.

Jednadžba prvog zakona termodinamike:

Jednadžba prvog zakona unutar termodinamičkih principa izražava ravnotežu koja mora postojati između različitih vrsta energije u danom procesu. Budući da se u zatvorenim sustavima [1] izmjene energije mogu dati samo prijenosom topline ili obavljenim radom (u sustavu ili na njemu), utvrđeno je da je promjena energije sustava jednaka zbroju prijenosa energije toplinom i radom. Pogledajte sliku 6.

Uzimajući u obzir da su energije koje se razmatraju u ovoj energetskoj bilanci kinetička, potencijalna i unutarnja energija [1], energetska bilanca za zatvorene sustave ostaje kao što je prikazano na slici 7.

• (Ek) Kinetička energija , zbog kretanja tijela;
• (ep) Potencijalna energija, zbog položaja tijela u gravitacijskom polju;
• (ILI) Unutarnja energija , zbog mikroskopskog doprinosa kinetičke i potencijalne energije unutarnjih molekula tijela.

Vježba 1.

Zapečaćeni spremnik sadrži tvar, s početnom energijom od 10 kJ. Tvar se miješa propelerom koji radi 500 J, dok izvor topline prenosi na tvar 20 kJ topline. Uz to, tijekom procesa u zrak se oslobađa 3kJ topline. Odrediti konačnu energiju tvari. Pogledajte sliku 8.

rješenje:

Na slici 9 možete vidjeti toplinu koju dodaje izvor topline, a koja se smatra "pozitivnom", jer povećava energiju tvari, toplinu koja se oslobađa u zrak, negativnu jer smanjuje energiju tvari i rad propelera, koji je povećavao energiju, dobio je pozitivan predznak.

Na slici 10. prikazana je energetska bilanca, prema prvom zakonu termodinamike i dobivena je konačna energija tvari.

Drugi zakon termodinamike

Postoji nekoliko izjava drugog zakona termodinamike: Izjava Planck-Kelvina, Clausiusa, Carnota. Svaki od njih pokazuje drugačiji aspekt drugog zakona. Općenito, drugi zakon termodinamike postulira:

• Smjer termodinamičkih procesa, nepovratnost fizikalnih pojava.
• Učinkovitost toplinskih strojeva.
• Unesite svojstvo "entropija".

Smjer termodinamičkih procesa:

Spontano u prirodi energija teče ili se prenosi iz najvišeg u najniže energetsko stanje. Toplina prelazi iz vrućih tijela u hladna tijela, a ne obrnuto. Pogledajte sliku 11.

Učinkovitost ili toplinske performanse:

Prema prvom zakonu termodinamike, energija se ne stvara niti uništava, ali se može transformirati ili prenijeti. No, u svim prijenosima ili transformacijama energije neke količine nisu korisne za obavljanje posla. Kako se energija prenosi ili transformira, dio se početne energije oslobađa kao toplinska energija: energija se razgrađuje, gubi na kvaliteti.

U bilo kojoj energetskoj transformaciji količina dobivene energije uvijek je manja od isporučene energije. Toplinska učinkovitost je količina topline iz izvora koja se pretvara u rad, omjer između dobivene korisne energije i energije isporučene u transformaciji. Pogledajte sliku 12.

Termalni stroj ili Toplinski stroj:

Termalni stroj je uređaj koji djelomično pretvara toplinu u radnu ili mehaničku energiju, za što mu je potreban izvor koji opskrbljuje toplinom pri visokoj temperaturi.

U termalnim strojevima koristi se tvar poput vodene pare, zraka ili goriva. Tvar prolazi ciklički niz termodinamičkih transformacija, tako da stroj može kontinuirano raditi.

Vježba 2.

Motor teretnog vozila proizvodi toplinu u sagorijevanju izgaranjem benzina. Za svaki ciklus motora, toplina od 5 kJ pretvara se u 1kJ mehaničkog rada. Kolika je učinkovitost motora? Koliko se topline oslobađa za svaki ciklus motora? Pogledajte sliku 13

rješenje:

Za određivanje oslobođene topline pretpostavlja se da je u toplinskim strojevima neto rad jednak neto prijenosu topline u sustav. Pogledajte sliku 14.

Entropija:

Entropija je stupanj slučajnosti ili poremećaja u sustavu. Entropija omogućuje kvantificiranje dijela energije koji se ne može upotrijebiti za stvaranje djela, odnosno omogućuje kvantificiranje nepovratnosti termodinamičkog procesa.

Svaki prijenos energije koji se dogodi povećava entropiju svemira i smanjuje količinu korisne energije dostupne za rad. Bilo koji termodinamički proces odvijat će se u smjeru koji povećava ukupnu entropiju svemira. Pogledajte sliku 15.

3. zakon termodinamike

Treći zakon termodinamike ili Nerstov postulat

Treći zakon termodinamike povezan je s temperaturom i hlađenjem. Navodi da je entropija sustava na apsolutnoj nuli definitivna konstanta. Pogledajte sliku 16.

Apsolutna nula je najniža temperatura ispod koje više nema niže mjere, najhladnija je što tijelo može biti. Apsolutna nula je 0 K, što odgovara -273,15 ºC.

Zaključak

Postoje četiri termodinamička principa. U principu nula utvrđeno je da se toplinska ravnoteža događa kada su dva ili više tijela na istoj temperaturi.

Prvi se zakon termodinamike bavi očuvanjem energije između procesa, dok se drugi zakon termodinamike bavi smjerom od najniže do najviše entropije i učinkovitošću ili performansama toplinskih strojeva koji pretvaraju toplinu u rad.

Treći zakon termodinamike povezan je s temperaturom i hlađenjem, on navodi da je entropija sustava na apsolutnoj nuli definitivna konstanta.