Odyերմոդինամիկական սկզբունքներ

Հասկանալու համար, հեշտ ճանապարհով, Թերմոդինամիկայի լայն և բարդ աշխարհը, խորհուրդ է տրվում քայլ առ քայլ սկսել ՝ սկսած հիմնական տերմինների վերանայումից, ջերմոդինամիկական սկզբունքների ներդրումից, ապա ավելի խորը ուսումնասիրելով ջերմոդինամիկական օրենքները արտահայտվում են մաթեմատիկորեն: և դրա կիրառությունները:

Thermերմոդինամիկայի չորս օրենքներով (զրոյական օրենք, առաջին օրենք, երկրորդ օրենք և երրորդ օրենք) նկարագրված է, թե ինչպես են աշխատում էներգիայի փոխանցումները և փոխակերպումները տարբեր համակարգերի միջև. հիմք հանդիսանալով բնության բազմաթիվ ֆիզիկաքիմիական երեւույթները հասկանալու համար:

Հիմնական հասկացությունների վերանայում

Հրավիրում ենք ձեզ տեսնել հոդվածը ԹԵՐՄՈԴԻՆԱՄԻԿԱ, ինչ է դա և դրա կիրառությունները

Այս տեղեկատվությունը կարող եք լրացնել հոդվածով Ուոթի օրենքի ուժը (կիրառություններ - վարժություններ) Առայժմ ՀԵՏԵՎՈՒՄ ԵՆՔ ...

Էներգիայի ձևերը

Էներգիան ՝ մարմինների ՝ իրենց իրավիճակը կամ վիճակը փոփոխելու միջոցով փոխակերպվելու հատկությունը, ունենում է տարբեր ձևեր, ինչպիսիք են կինետիկ էներգիա, պոտենցիալ էներգիա և մարմինների ներքին էներգիա: Տե՛ս նկար 1-ը:

Աշխատել

Դա ուժի և տեղաշարժի արդյունք է, երկուսն էլ չափված են նույն ուղղությամբ: Աշխատանքը հաշվարկելու համար օգտագործվում է ուժի այն բաղադրիչը, որը զուգահեռ է օբյեկտի տեղաշարժին: Աշխատանքը չափվում է Nm, Joule (J), ft.lb-f կամ BTU- ով: Տե՛ս նկար 2:

Atերմություն (Q)

Thermalերմային էներգիայի փոխանցում տարբեր ջերմաստիճանի երկու մարմինների միջև, և դա տեղի է ունենում միայն այն իմաստով, որ ջերմաստիճանը նվազում է: Երմությունը չափվում է Joule, BTU, ֆունտ-ֆուտ կամ կալորիաներով: Տե՛ս նկար 3:

Odyերմոդինամիկական սկզբունքներ

Eroրո իրավունք - eroրոյական սկզբունք

Thermերմոդինամիկայի զրոյական օրենքը ասում է, որ եթե երկու օբյեկտ ՝ A և B, գտնվում են միմյանց հետ ջերմային հավասարակշռության մեջ, իսկ A օբյեկտը հավասարակշռության մեջ է երրորդ C օբյեկտի հետ, ապա B օբյեկտը ջերմային հավասարակշռության մեջ է C օբյեկտի հետ: Theերմային հավասարակշռություն է առաջանում: երբ երկու կամ ավելի մարմիններ գտնվում են նույն ջերմաստիճանում: Տե՛ս նկար 4-ը:

Այս օրենքը համարվում է ջերմոդինամիկայի հիմնական օրենք: Այն ենթադրվում է որպես «eroրո օրենք», 1935 թ.

Rmերմոդինամիկայի 1-ին օրենք (էներգիայի պահպանման սկզբունքը)

Rmերմոդինամիկայի առաջին օրենքի հայտարարություն:

Thermերմոդինամիկայի առաջին օրենքը, որը հայտնի է նաև որպես էներգիայի պահպանման սկզբունք, ասում է, որ էներգիան չի ստեղծվում կամ ոչնչանում, այն միայն վերափոխվում է էներգիայի մեկ այլ տեսակի, կամ այն ​​տեղափոխվում է մեկ առարկայից մյուսը: Այսպիսով, տիեզերքում էներգիայի ընդհանուր քանակը չի փոխվում:

Առաջին օրենքը լրացվում է «ամեն ինչում», էներգիան շարունակաբար փոխանցվում և փոխակերպվում է, օրինակ ՝ որոշ էլեկտրական սարքերում, ինչպիսիք են խառնիչները և խառնիչները, էլեկտրական էներգիան վերափոխվում է մեխանիկական և ջերմային էներգիայի, մարդու մարմնում դրանք վերափոխվում են քիմիական սննդի էներգիա, որը մարմինը շարժվում է կլանված կինետիկ էներգիայի մեջ կամ այլ օրինակներ, ինչպիսիք են նկար 5-ում ցույց տրվածները:

Թերմոդինամիկայի առաջին օրենքի հավասարումը.

Lawերմոդինամիկական սկզբունքների շրջանակներում առաջին օրենքի հավասարումը արտահայտում է այն հավասարակշռությունը, որը պետք է գոյություն ունենա էներգիայի տարբեր տեսակների միջև տվյալ գործընթացում: Քանի որ փակ համակարգերում [1] էներգիայի փոխանակումը կարող է տրվել միայն ջերմության փոխանցմամբ կամ կատարված աշխատանքով (համակարգի կողմից կամ դրա վրա), հաստատվում է, որ համակարգի էներգիայի տատանումները հավասար են էներգիայի փոխանցումը ջերմության և աշխատանքի միջոցով: Տե՛ս նկար 6:

Հաշվի առնելով, որ այս էներգետիկ հաշվեկշռում դիտարկվող էներգիաներն են կինետիկ էներգիան, պոտենցիալ էներգիան և ներքին էներգիան [1], փակ համակարգերի համար էներգիայի հաշվեկշիռը մնում է այնպես, ինչպես ցույց է տրված նկար 7-ում:

• (Էկ) Կինետիկ էներգիա, մարմնի շարժման պատճառով;
• (Էպ) Պոտենցիալ էներգիա, գրավիտացիոն դաշտում մարմնի դիրքի պատճառով;
• (ԿԱՄ) Ներքին էներգիա, մարմնի ներքին մոլեկուլների կինետիկ և պոտենցիալ էներգիայի մանրադիտային ներդրումների շնորհիվ:

Զորավարժություն 1:

Կնքված տարան պարունակում է մի նյութ, որի սկզբնական էներգիան 10 կJ է: Նյութը խառնվում է 500 J աշխատանք կատարող պտուտակով, մինչդեռ ջերմության աղբյուրը 20 կJ ջերմություն է փոխանցում նյութին: Բացի այդ, գործընթացում 3kJ ջերմություն է արտանետվում օդ: Որոշեք նյութի վերջնական էներգիան: Տե՛ս նկար 8:

Solution:

9-րդ նկարում դուք կարող եք տեսնել ջերմության աղբյուրի կողմից ավելացված ջերմությունը, որը համարվում է «դրական», քանի որ այն մեծացնում է նյութի էներգիան, օդում արտանետվող ջերմությունը, բացասական, քանի որ այն նվազեցնում է նյութի էներգիան և պտուտակի աշխատանքը, որն ավելացնում էր էներգիան, դրական նշան ստացավ:

Նկար 10-ում ներկայացված է էներգետիկ հաշվեկշիռը `համաձայն ջերմոդինամիկայի առաջին օրենքի և ստացվում է նյութի վերջնական էներգիա:

Thermերմոդինամիկայի երկրորդ օրենք

Thermերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքի մի քանի հայտարարություններ կան. Պլանկ-Կելվինի, Կլաուսիուսի, Կարնոյի հայտարարությունը: Դրանցից յուրաքանչյուրը ցույց է տալիս երկրորդ օրենքի տարբեր կողմ: Ընդհանուր առմամբ, ջերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքը ենթադրում է.

• Thermերմոդինամիկական պրոցեսների ուղղությունը, ֆիզիկական երեւույթների անդառնալիությունը:
• Thermalերմային մեքենաների արդյունավետությունը:
• Մուտքագրեք «entropy» գույքը:

Odyերմոդինամիկական գործընթացների ուղղությունը.

Բնության մեջ ինքնաբերաբար, էներգիան հոսում է կամ տեղափոխվում է ամենաբարձր էներգետիկ վիճակից դեպի ամենացածր էներգետիկ վիճակ: Hotերմությունը տաք մարմիններից հոսում է դեպի սառը մարմիններ և ոչ թե հակառակը: Տե՛ս նկար 11:

Արդյունավետություն կամ ջերմային կատարում:

Thermերմոդինամիկայի առաջին օրենքի համաձայն ՝ էներգիան ոչ ստեղծվում է, ոչ էլ ոչնչանում, բայց այն կարող է փոխակերպվել կամ փոխանցվել: Բայց էներգիայի բոլոր փոխանցումներում կամ փոխակերպումներում դրա մի մասն օգտակար չէ աշխատանք կատարելու համար: Երբ էներգիան փոխանցվում կամ փոխակերպվում է, նախնական էներգիայի մի մասը ազատվում է որպես ջերմային էներգիա. Էներգիան դեգրադացվում է, կորցնում որակը:

Energyանկացած էներգիայի վերափոխման ժամանակ ստացված էներգիայի քանակը միշտ էլ պակաս է, քան մատակարարվող էներգիան: Rmերմային արդյունավետությունը աղբյուրից ստացված ջերմության քանակն է, որը վերածվում է աշխատանքի, ստացված օգտակար էներգիայի և փոխակերպման մեջ մատակարարվող էներգիայի հարաբերակցությունը: Տե՛ս նկար 12-ը:

Երմային մեքենա կամ ջերմային մեքենա.

Thermalերմային մեքենան սարքն է, որը մասամբ ջերմությունը վերածում է աշխատանքի կամ մեխանիկական էներգիայի, դրա համար դրա համար անհրաժեշտ է բարձր ջերմաստիճանում ջերմություն մատակարարող աղբյուր:

Thermalերմային մեքենաներում օգտագործվում է այնպիսի նյութ, ինչպիսին են ջրի գոլորշին, օդը կամ վառելիքը: Նյութը ցիկլիկ եղանակով ենթարկվում է մի շարք ջերմոդինամիկական փոխակերպումների, որպեսզի մեքենան կարողանա շարունակաբար գործել:

Զորավարժություն 2:

Բեռնատար մեքենայի շարժիչը բենզինն այրելով այրման մեջ ջերմություն է առաջացնում: Շարժիչի յուրաքանչյուր ցիկլի համար 5 կJ ջերմությունը վերափոխվում է 1 կJ մեխանիկական աշխատանքի: Որն է շարժիչի արդյունավետությունը: Որքա՞ն ջերմություն է արձակվում շարժիչի յուրաքանչյուր ցիկլի համար: Տե՛ս նկար 13-ը

Solution:

Ազատված ջերմությունը որոշելու համար ենթադրվում է, որ ջերմային մեքենաներում զուտ աշխատանքը հավասար է համակարգին զուտ ջերմության փոխանցմանը: Տե՛ս նկար 14:

Էնտրոպիա:

Էնտրոպիան համակարգում պատահականության կամ խանգարման աստիճան է: Էնտրոպիան թույլ է տալիս քանակականորեն գնահատել էներգիայի այն մասը, որը չի կարող օգտագործվել աշխատանք արտադրելու համար, այսինքն ՝ թույլ է տալիս քանակական գնահատել ջերմոդինամիկական գործընթացի անշրջելիությունը:

Յուրաքանչյուր էներգիայի փոխանցում, որը տեղի է ունենում, մեծացնում է տիեզերքի էնտրոպիան և նվազեցնում օգտագործելու համար օգտագործվող էներգիայի քանակը: Thermանկացած ջերմոդինամիկական գործընթաց կընթանա մի ուղղությամբ, որը մեծացնում է տիեզերքի ընդհանուր էնտրոպիան: Տե՛ս նկար 15:

Odyերմոդինամիկայի 3-րդ օրենք

Rmերմոդինամիկայի երրորդ օրենք կամ Nerst Postulate

Thermերմոդինամիկայի երրորդ օրենքը կապված է ջերմաստիճանի և հովացման հետ: Այն նշում է, որ բացարձակ զրոյում գտնվող համակարգի էնտրոպիան որոշակի հաստատուն է: Տե՛ս նկար 16:

Բացարձակ զրոն ամենացածր ջերմաստիճանն է, որի տակ այլևս ցածր չափանիշ չկա, դա ամենացուրտն է, որ կարող է լինել մարմինը: Բացարձակ զրոն 0 Կ է, համարժեք է -273,15 ºC:

Ամփոփում

Գոյություն ունեն թերմոդինամիկական չորս սկզբունքներ: Zeroրոյական սկզբունքով հաստատվում է, որ ջերմային հավասարակշռությունը տեղի է ունենում այն ​​ժամանակ, երբ երկու կամ ավելի մարմիններ գտնվում են նույն ջերմաստիճանում:

Thermերմոդինամիկայի առաջին օրենքը վերաբերում է գործընթացների միջև էներգիայի պահպանմանը, իսկ թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքը վերաբերում է ամենացածրից մինչև ամենաբարձր entropy- ի ուղղորդմանը և ջերմությունը աշխատանքի վերածող ջերմային շարժիչների արդյունավետությանը կամ կատարմանը:

Thermերմոդինամիկայի երրորդ օրենքը կապված է ջերմաստիճանի և հովացման հետ, այն ասում է, որ բացարձակ զրոյում համակարգի էնտրոպիան որոշակի հաստատուն է: