Hitafræðilegar meginreglur

Til að skilja, á auðveldan hátt, breiðan og flókinn heim hitafræðinnar, er mælt með því að fara skref fyrir skref og byrja á því að fara yfir grunnhugtök, kynningu á varmafræðilegum meginreglum og síðan að rannsaka nánar hitafræðileg lögmál, hvernig þau eru sett fram stærðfræðilega og umsóknir þess.

Með fjórum lögmálum varmafræðinnar (núll lögmál, fyrsta lögmálið, annað lögmálið og þriðja lögmálið) er lýst hvernig flutningar og umbreytingar orku milli mismunandi kerfa virka; verið grunnurinn að skilningi á mörgum eðlisefnafræðilegum fyrirbærum náttúrunnar.

Farið yfir grunnhugtök

Við bjóðum þér að sjá greinina HITTÆKI, hvað það er og forrit þess

Þú getur bætt þessar upplýsingar við greinina Kraftur laga Watt (umsóknir - æfingar) Fyrir nú VIÐ FULLUM ...

Form orku

Orka, eign líkama til að umbreyta sjálfum sér með því að breyta aðstæðum þeirra eða ástandi, kemur til í mörgum myndum, svo sem hreyfiorka, hugsanleg orka og innri orka líkama. Sjá mynd 1.

Vinna

Það er afrakstur krafta og tilfærslu, bæði mæld í sömu átt. Til að reikna verkið er notaður sá hluti kraftsins sem er samsíða tilfærslu hlutarins. Vinnan er mæld í Nm, Joule (J), ft.lb-f eða BTU. Sjá mynd 2.

Hiti (Q)

Flutningur varmaorku milli tveggja líkama sem eru við mismunandi hitastig og það gerist aðeins í þeim skilningi að hitinn lækkar. Hiti er mældur í Joule, BTU, pund-fetum eða í kaloríum. Sjá mynd 3.

Hitafræðilegar meginreglur

Núll lög - Núll meginregla

Núll lögmál varmafræðinnar segir að ef tveir hlutir, A og B, eru í varmajafnvægi hver við annan, og hlutur A er í jafnvægi við þriðja hlutinn C, þá er hlutur B í varmajafnvægi við hlutinn C. Varmajafnvægið á sér stað þegar tveir eða fleiri lík eru við sama hitastig. Sjá mynd 4.

Þessi lög eru talin grundvallarlögmál varmafræðinnar. Það var sett fram sem „Zero Law“, árið 1935, þar sem það var sett fram eftir að fyrsta og annað lögmál varmafræðinnar voru sett.

1. lögmál varmafræðinnar (meginregla um orkusparnað)

Yfirlýsing um fyrsta lögmál varmafræðinnar:

Fyrsta lögmál varmafræðinnar, einnig þekkt sem meginreglan um varðveislu orku, segir að orka sé ekki búin til eða eyðilögð, hún sé aðeins umbreytt í aðra tegund orku, eða hún sé flutt frá einum hlut til annars. Þannig breytist heildarorkan í alheiminum ekki.

Fyrsta lögmálið er uppfyllt í „öllu“, orka er flutt og umbreytt stöðugt, til dæmis í sumum raftækjum, svo sem hrærivélum og hrærivélum, er raforka umbreytt í vélrænni og varmaorku, í mannslíkamanum eru þau umbreytt efninu orku fæðu sem er tekin í hreyfiorku þegar líkaminn er á hreyfingu, eða önnur dæmi eins og sýnt er á mynd 5.

Jafna fyrsta lögmáls varmafræðinnar:

Jafna fyrsta lögmálsins innan hitafræðilegra meginreglna tjáir jafnvægið sem verður að vera milli mismunandi orkutegunda í tilteknu ferli. Þar sem, í lokuðum kerfum [1], er aðeins hægt að gefa orkuskipti með flutningi hita eða með því verki sem unnið er (með eða á kerfinu), er staðfest að orkubreyting kerfis er jöfn summan af flutningur orku í gegnum hita og í gegnum vinnu. Sjá mynd 6.

Þegar litið er til þess að orkurnar sem eru taldar með í þessu orkujafnvægi eru hreyfiorka, hugsanleg orka og innri orka [1] er orkujafnvægið fyrir lokuð kerfi áfram eins og sýnt er á mynd 7.

• (ec) Hreyfiorka, vegna hreyfingar líkama;
• (ep) Möguleg orka, vegna stöðu líkama á þyngdarsviði;
• (OR) Innri orka, vegna smásjárframlags hreyfi- og hugsanlegrar orku innri sameinda líkamans.

Dæmi 1.

Lokað ílát inniheldur efni, með upphafsorku 10 kJ. Efninu er hrært með skrúfu sem vinnur 500 J á meðan hitagjafi flytur 20 kJ af hita til efnisins. Að auki losnar 3kJ af hita út í loftið meðan á ferlinu stendur. Ákveðið lokaorku efnisins. Sjá mynd 8.

Lausn:

Á mynd 9 er hægt að sjá hitann sem hitagjafinn bætir við, sem er talinn „jákvæður“ þar sem hann eykur orku efnisins, hitann sem losnar út í loftið, neikvæður þar sem hann minnkar orku efnisins og vinna skrúfunnar, sem jók orkuna tók jákvætt tákn.

Á mynd 10 er orkujafnvægið sett fram samkvæmt fyrsta lögmáli varmafræðinnar og lokaorka efnisins fæst.

Annað lögmál varmafræðinnar

Það eru nokkrar fullyrðingar um annað lögmál varmafræðinnar: Yfirlýsing um Planck-Kelvin, Clausius, Carnot. Hver þeirra sýnir annan þátt í öðru lögmálinu. Almennt segir annað lögmál varmafræðinnar:

• Stefna hitafræðilegra ferla, óafturkræfur líkamleg fyrirbæri.
• Skilvirkni hitavéla.
• Sláðu inn eignina „entropy“.

Stefna hitafræðilegra ferla:

Sjálfkrafa í náttúrunni flæðir orka eða færist frá hæsta orkuástandi í lægsta orkuástand. Varmi streymir frá heitum búkum til kaldra líkama og ekki öfugt. Sjá mynd 11.

Skilvirkni eða hitauppstreymi:

Samkvæmt fyrsta lögmáli varmafræðinnar er orka hvorki búin til né eyðilögð en hún er umbreytt eða flutt. En í öllum orkuflutningum eða umbreytingum er magn af því ekki gagnlegt til að vinna verk. Þegar orka er flutt eða umbreytt, losnar hluti af upphafsorkunni sem varmaorka: orka brotnar niður, missir gæði.

Í hverri orkubreytingu er orkumagnið sem fæst alltaf minna en orkan sem fæst. Hitanýtni er það magn hita frá uppsprettunni sem er umbreytt í vinnu, hlutfallið milli nytsamlegrar orku sem fæst og orkunnar sem fæst við umbreytingu. Sjá mynd 12.

Hitavél eða hitavél:

Hitavélin er tæki sem að hluta breytir hita í vinnu eða vélrænni orku, til þess þarf hún uppsprettu sem veitir hita við háan hita.

Í hitavélum er notað efni eins og vatnsgufa, loft eða eldsneyti. Efnið gengur í gegnum röð varmafræðilegra umbreytinga á hringlaga hátt, svo að vélin geti starfað stöðugt.

Dæmi 2.

Vél flutningabifreiðar framleiðir hita í bruna með því að brenna bensíni. Fyrir hverja hringrás vélarinnar er hiti 5 kJ breytt í 1kJ vélrænni vinnu. Hver er skilvirkni hreyfilsins? Hve mikill hiti losnar fyrir hverja lotu vélarinnar? Sjá mynd 13

Lausn:

Til að ákvarða hita sem losnar er gert ráð fyrir að í hitavélum sé netvinnan jöfn nethitaflutningnum í kerfið. Sjá mynd 14.

Entropy:

Entropy er gráðu af handahófi eða röskun í kerfi. Entropy gerir kleift að mæla þann hluta orkunnar sem ekki er hægt að nota til að framleiða vinnu, það er, hún gerir kleift að mæla óafturkræfleika hitafræðilegs ferils.

Hver orkuflutningur sem á sér stað eykur heimsbyggð alheimsins og dregur úr magni nothæfrar orku sem er í boði til að vinna. Hvert hitafræðilegt ferli mun ganga í þá átt sem eykur heildar Entropíu alheimsins. Sjá mynd 15.

3. lögmál varmafræðinnar

Þriðja lögmál varmafræðinnar eða Nerst Postulate

Þriðja lögmál varmafræðinnar tengist hitastigi og kælingu. Þar kemur fram að entropía kerfis við algert núll er ákveðinn fasti. Sjá mynd 16.

Algjört núll er lægsti hitastigið þar sem ekki er lengur lægri mælikvarði, það er það kaldasta sem líkami getur verið. Algjört núll er 0 K, jafngildir -273,15 ºC.

Ályktun

Það eru fjögur varmafræðileg lögmál. Í núllreglunni er staðfest að varmajafnvægi á sér stað þegar tveir eða fleiri líkamar eru við sama hitastig.

Fyrsta lögmál varmafræðinnar fjallar um varðveislu orku milli ferla, en annað lögmál varmafræðinnar fjallar um stefnuna frá lægsta til hæsta óreiðu og skilvirkni eða afköst hitavéla sem umbreyta hita í vinnu.

Þriðja lögmál varmafræðinnar tengist hitastigi og kælingu, það segir að entropía kerfis við alger núll sé ákveðinn fasti.