עקרונות תרמודינמיים

כדי להבין, בצורה קלה, את העולם הרחב והמורכב של התרמודינמיקה, מומלץ ללכת שלב אחר שלב החל מסקירת מונחים בסיסיים, מבוא לעקרונות התרמודינמיים, ואז ללמוד לעומק יותר את החוקים התרמודינמיים, כיצד הם באים לידי ביטוי מתמטית ויישומיו.

עם ארבעת החוקים של התרמודינמיקה (חוק אפס, חוק ראשון, חוק שני וחוק שלישי), מתואר כיצד עוברים העברות ושינוי האנרגיה בין מערכות שונות; להיות הבסיס להבנת תופעות פיזיקליות-כימיות רבות של הטבע.

סקירת מושגי יסוד

אנו מזמינים אתכם לראות את המאמר תרמודינמיקה, מה זה והיישומים שלה

תוכלו להשלים מידע זה עם המאמר כוחו של חוק וואט (יישומים - תרגילים) לעת עתה אנחנו עוקבים ...

צורות אנרגיה

אנרגיה, רכושם של גופים לשנות את עצמם על ידי שינוי מצבם או מצבם, מגיעה בצורות רבות, כגון אנרגיה קינטית, אנרגיה פוטנציאלית ואנרגיה פנימית של גופים. ראה איור 1.

עבודה

זהו תוצר של כוח ותזוזה, שניהם נמדדים באותו כיוון. לצורך חישוב העבודה נעשה שימוש במרכיב הכוח המקביל לתזוזת האובייקט. העבודה נמדדת ב- Nm, Joule (J), ft.lb-f או BTU. ראה איור 2.

חום (ש)

העברת אנרגיה תרמית בין שני גופים הנמצאים בטמפרטורות שונות, וזה מתרחש רק במובן שהטמפרטורה יורדת. החום נמדד בג'ול, BTU, קילו רגליים או בקלוריות. ראה איור 3.

עקרונות תרמודינמיים

חוק אפס - עקרון אפס

חוק האפס של התרמודינמיקה קובע שאם שני עצמים, A ו- B, נמצאים בשיווי משקל תרמי זה עם זה, ואובייקט A נמצא בשיווי משקל עם אובייקט שלישי C, אז אובייקט B נמצא בשיווי משקל תרמי עם אובייקט C. שיווי המשקל התרמי מתרחש. כאשר שני גופים או יותר נמצאים באותה הטמפרטורה. ראה איור 4.

חוק זה נחשב לחוק בסיסי של תרמודינמיקה. הוא הוצב כ- "אפס חוק" בשנת 1935, שכן הוא הונח לאחר החוקים הראשונים והשניים של התרמודינמיקה.

החוק הראשון של תרמודינמיקה (עקרון של שימור אנרגיה)

הצהרה על החוק הראשון של התרמודינמיקה:

החוק הראשון של התרמודינמיקה, הידוע גם כעקרון שימור האנרגיה, קובע כי אנרגיה לא נוצרת או נהרסת, היא הופכת רק לסוג אחר של אנרגיה, או שהיא מועברת מאובייקט אחד לאחר. לפיכך כמות האנרגיה הכוללת ביקום אינה משתנה.

החוק הראשון מתגשם ב"הכל ", אנרגיה מועברת ומתמרת באופן רציף, למשל, בחלק מהמכשירים החשמליים, כמו מערבלים ובלנדרים, אנרגיה חשמלית הופכת לאנרגיה מכנית ותרמית, בגוף האדם הם הופכים את הכימיקל. אנרגיה של מזון הנבלעת לאנרגיה קינטית כשהגוף נמצא בתנועה, או דוגמאות אחרות כמו אלה המוצגות באיור 5.

משוואת החוק הראשון של התרמודינמיקה:

משוואת החוק הראשונה במסגרת עקרונות תרמודינמיים מבטאת את האיזון שחייב להתקיים בין סוגי האנרגיה השונים בתהליך נתון. מכיוון שבמערכות סגורות [1], חילופי האנרגיה יכולים להינתן רק על ידי העברת חום, או על ידי העבודה שנעשתה (על ידי המערכת או על המערכת), נקבע כי וריאציית האנרגיה של המערכת שווה לסכום. של העברות אנרגיה דרך חום ודרך עבודה. ראה איור 6.

בהתחשב בכך שהאנרגיות הנחשבות במאזן אנרגיה זה הן אנרגיה קינטית, אנרגיה פוטנציאלית ואנרגיה פנימית [1], מאזן האנרגיה של מערכות סגורות נשאר כפי שמוצג באיור 7.

• (ec) אנרגיה קינטית , עקב תנועת גוף;
• (אפ) אנרגיה פוטנציאלית, בשל מיקומו של גוף בשדה הכבידה;
• (או) אנרגיה פנימית , בגלל התרומות המיקרוסקופיות של האנרגיה הקינטית והפוטנציאלית של המולקולות הפנימיות של הגוף.

תרגיל 1

מיכל אטום מכיל חומר בעל אנרגיה התחלתית של 10 קג''י. החומר מערבב בעזרת מדחף שעושה 500 J עבודה, בעוד שמקור חום מעביר לחומר 20 קג''י חום. בנוסף, 3 קילו-ג'י חום משתחרר לאוויר במהלך התהליך. קבע את האנרגיה הסופית של החומר. ראה איור 8.

פתרון:

באיור 9 ניתן לראות את החום שמוסיף מקור החום, הנחשב "חיובי" מכיוון שהוא מגדיל את אנרגיית החומר, את החום המשתחרר לאוויר, שלילי מכיוון שהוא מקטין את אנרגיית החומר ואת העבודה של המדחף, שהגדילה את האנרגיה קיבלה סימן חיובי.

באיור 10 מוצג מאזן האנרגיה, על פי החוק הראשון של התרמודינמיקה ומתקבלת האנרגיה הסופית של החומר.

החוק השני של התרמודינמיקה

יש כמה הצהרות של החוק השני של התרמודינמיקה: הצהרה על פלאנק-קלווין, קלאוזיוס, קרנוט. כל אחד מהם מראה היבט אחר של החוק השני. באופן כללי החוק השני של התרמודינמיקה מניח:

• הכיוון של תהליכים תרמודינמיים, בלתי הפיכות של תופעות פיזיקליות.
• היעילות של מכונות תרמיות.
• הזן את המאפיין "אנטרופיה".

כיוון תהליכים תרמודינמיים:

באופן ספונטני בטבע, אנרגיה זורמת או מועברת ממצב האנרגיה הגבוה ביותר למצב האנרגיה הנמוך ביותר. חום זורם מגופים חמים לגופים קרים ולא להפך. ראה איור 11.

יעילות או ביצועים תרמיים:

על פי החוק הראשון של התרמודינמיקה, אנרגיה לא נוצרת ולא נהרסת, אך ניתן להפוך אותה או להעביר אותה. אך בכל העברות או טרנספורמציות של אנרגיה, כמות זו אינה מועילה לעשות עבודה. כאשר האנרגיה מועברת או הופכת, חלק מהאנרגיה הראשונית משתחררת כאנרגיה תרמית: אנרגיה מתכלה, מאבדת את האיכות.

בכל טרנספורמציה אנרגטית, כמות האנרגיה המתקבלת היא תמיד פחותה מהאנרגיה המסופקת. יעילות תרמית היא כמות החום מהמקור המומר לעבודה, היחס בין האנרגיה השימושית המתקבלת לאנרגיה שמספקת טרנספורמציה. ראה איור 12.

מכונה תרמית או מכונת חום:

המכונה התרמית היא מכשיר הממיר חלקית חום לעבודה או לאנרגיה מכנית, שעבורו היא זקוקה למקור המספק חום בטמפרטורה גבוהה.

במכונות תרמיות משתמשים בחומר כמו אדי מים, אוויר או דלק. החומר עובר סדרת טרנספורמציות תרמודינמיות בצורה מחזורית, כך שהמכונה תוכל לפעול ברציפות.

תרגיל 2

המנוע של רכב מטען מייצר חום בעירה על ידי שריפת בנזין. עבור כל מחזור של המנוע, החום של 5 קג''י מומר לעבודה מכנית של 1 קג''י. מה יעילות המנוע? כמה חום משתחרר לכל מחזור של המנוע? ראה איור 13

פתרון:

כדי לקבוע את החום המשתחרר, ההנחה היא שבמכונות תרמיות העבודה נטו שווה להעברת החום נטו למערכת. ראה איור 14.

אנטרופיה:

אנטרופיה היא מידת האקראיות או ההפרעה במערכת. האנטרופיה מאפשרת לכמת את חלק האנרגיה שלא ניתן להשתמש בו לייצור עבודה, כלומר, היא מאפשרת לכמת את אי הפיכות של תהליך תרמודינמי.

כל העברת אנרגיה המתרחשת מגדילה את האנטרופיה של היקום ומפחיתה את כמות האנרגיה הניתנת לשימוש לשימוש. כל תהליך תרמודינמי ימשיך בכיוון המגדיל את האנטרופיה הכוללת של היקום. ראה איור 15.

החוק השלישי של התרמודינמיקה

החוק השלישי של תרמודינמיקה או Nerst Postulate

החוק השלישי של התרמודינמיקה קשור לטמפרטורה ולקירור. הוא קובע כי האנטרופיה של מערכת באפס מוחלט היא קבוע מוגדר. ראה איור 16.

אפס מוחלט הוא הטמפרטורה הנמוכה ביותר שמתחתיה כבר אין מדד נמוך יותר, היא הקרה ביותר שגוף יכול להיות. האפס המוחלט הוא 0 K, שווה ערך ל -273,15 ºC.

מסקנה

ישנם ארבעה עקרונות תרמודינמיים. בעקרון האפס נקבע כי שיווי משקל תרמי מתרחש כאשר שני גופים או יותר נמצאים באותה טמפרטורה.

החוק הראשון של התרמודינמיקה עוסק בשימור האנרגיה בין התהליכים, ואילו החוק השני של התרמודינמיקה עוסק בכיוון מהאנטרופיה הנמוכה ביותר לגבוהה ביותר, וביעילות או ביצועים של מנועי חום הממירים חום לעבודה.

החוק השלישי של התרמודינמיקה קשור לטמפרטורה ולקירור, הוא קובע כי האנטרופיה של מערכת באפס מוחלט היא קבוע מוגדר.