熱力学的原理
熱力学の広く複雑な世界を簡単に理解するには、基本的な用語の復習、熱力学の原理の紹介から始めて、熱力学の法則とその方法をより深く研究することから段階的に進めることをお勧めします。数学的に表現されます。そしてその応用。
熱力学のXNUMXつの法則（ゼロ法則、第XNUMX法則、第XNUMX法則、第XNUMX法則）を使用して、異なるシステム間のエネルギーの伝達と変換がどのように機能するかを説明します。 自然の多くの物理化学的現象を理解するための基礎です。
基本概念のレビュー
記事をご覧ください 熱力学、それが何であるか、そしてその応用
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エネルギーの形態
エネルギーは、体の状況や状態を変えることによって自分自身を変える性質であり、次のような多くの形でもたらされます。 体の運動エネルギー、位置エネルギー、内部エネルギー。 図1を参照してください。
働く
これは、力と変位の積であり、両方とも同じ方向で測定されます。 仕事を計算するために、オブジェクトの変位に平行な力の成分が使用されます。 仕事量は、Nm、ジュール（J）、ft.lb-f、またはBTUで測定されます。 図2を参照してください。
熱（Q）
温度が異なる3つの物体間での熱エネルギーの伝達。これは、温度が下がるという意味でのみ発生します。 熱は、ジュール、BTU、ポンドフィート、またはカロリーで測定されます。 図XNUMXを参照してください。
熱力学的原理
ゼロ法則-ゼロ原理
熱力学のゼロ法則は、4つのオブジェクトAとBが互いに熱平衡にあり、オブジェクトAがXNUMX番目のオブジェクトCと平衡にある場合、オブジェクトBはオブジェクトCと熱平衡にあると述べています。熱平衡が発生します。 XNUMXつ以上の物体が同じ温度にある場合。 図XNUMXを参照してください。
この法則は、熱力学の基本法則と見なされます。 熱力学の第一法則と第二法則が作成された後に仮定されたため、1935年に「ゼロ法則」として仮定されました。
熱力学の第1法則（エネルギー保存の法則）
熱力学の第一法則の声明:
エネルギー保存の法則としても知られる熱力学の第XNUMX法則は、エネルギーは生成または破壊されない、別の種類のエネルギーに変換されるだけ、またはあるオブジェクトから別のオブジェクトに転送されると述べています。 したがって、宇宙のエネルギーの総量は変化しません。
最初の法則は「すべて」で満たされ、エネルギーは連続的に伝達および変換されます。たとえば、ミキサーやブレンダーなどの一部の電気デバイスでは、電気エネルギーは機械的および熱的エネルギーに変換され、人体では化学的に変換されます。体が動いているときに運動エネルギーに摂取される食物のエネルギー、または図5に示すような他の例。
熱力学の第XNUMX法則の方程式：
熱力学的原理内の最初の法則の方程式は、特定のプロセスにおけるさまざまなタイプのエネルギー間に存在しなければならないバランスを表します。 閉鎖系[1]では、エネルギー交換は熱の伝達、または（システムによってまたはシステム上で）行われる仕事によってのみ行うことができるため、システムのエネルギー変動は次の合計に等しいことが確立されます。エネルギーは熱と仕事を通して伝達されます。 図6を参照してください。
このエネルギーバランスで考慮されるエネルギーが運動エネルギー、位置エネルギー、および内部エネルギーであることを考慮すると[1]、閉鎖系のエネルギーバランスは図7に示すように残ります。
- （Ec） 運動エネルギー 、 体の動きによる;
- （Ep） 位置エネルギー、 重力場における物体の位置による;
- （U） 内部エネルギー 、 体の内部分子の運動エネルギーと位置エネルギーの微視的な寄与によるものです。
演習1。
密閉容器には、初期エネルギーが10kJの物質が含まれています。 物質は500Jの仕事をするプロペラで攪拌され、熱源は20kJの熱を物質に伝達します。 さらに、プロセス中に3kJの熱が空気中に放出されます。 物質の最終エネルギーを決定します。 図8を参照してください。
解決策：
図9では、熱源によって追加された熱を見ることができます。これは、物質のエネルギーを増加させるため「正」と見なされ、空気中に放出される熱は、物質のエネルギーを減少させるため負です。エネルギーを増加させたプロペラの仕事は前向きな兆候を示しました。
図10に、熱力学の第XNUMX法則に従ってエネルギーバランスを示し、物質の最終エネルギーを取得します。
熱力学の第二法則
熱力学の第二法則にはいくつかの記述があります。Planck-Kelvin、Clausius、Carnotの記述。 それらのそれぞれは、第二法則の異なる側面を示しています。 一般に、熱力学の第二法則は次のように仮定しています。
- 熱力学的プロセスの方向性、物理現象の不可逆性。
- 熱機械の効率。
- プロパティ「エントロピー」を入力します。
熱力学的プロセスの方向性：
自然界では、エネルギーは自然に流れたり、最高のエネルギー状態から最低のエネルギー状態に移されたりします。 熱は高温の物体から低温の物体に流れますが、その逆はありません。 図11を参照してください。
効率または熱性能：
熱力学の第XNUMX法則によれば、エネルギーは生成も破壊もされませんが、変換または転送することはできます。 しかし、すべてのエネルギー伝達または変換において、その量は仕事をするのに役立ちません。 エネルギーが伝達または変換されると、初期エネルギーの一部が熱エネルギーとして放出されます。エネルギーは劣化し、品質が低下します。
どのエネルギー変換においても、得られるエネルギーの量は常に供給されるエネルギーよりも少なくなります。 熱効率は、仕事に変換される熱源からの熱量であり、得られる有用なエネルギーと変換で供給されるエネルギーの比率です。 図12を参照してください。
サーマルマシンまたはヒートマシン：
熱機械は、熱を部分的に仕事または機械的エネルギーに変換する装置であり、そのためには高温で熱を供給する源が必要です。
熱機械では、水蒸気、空気、燃料などの物質が使用されます。 物質は周期的に一連の熱力学的変換を受けるため、機械は継続的に動作できます。
演習2。
貨物車のエンジンは、ガソリンを燃焼させることで燃焼熱を発生させます。 エンジンの各サイクルで、5kJの熱が1kJの機械的仕事に変換されます。 モーターの効率はどれくらいですか？ エンジンの各サイクルでどのくらいの熱が放出されますか？ 図13を参照してください
解決策：
放出される熱を決定するために、熱機械では、ネットワークはシステムへの正味の熱伝達に等しいと想定されます。 図14を参照してください。
エントロピ:
エントロピーは、システムのランダム性または無秩序の程度です。 エントロピーは、仕事を生み出すために使用できないエネルギーの部分を定量化することを可能にします。つまり、熱力学的プロセスの不可逆性を定量化することを可能にします。
発生する各エネルギー伝達は、宇宙のエントロピーを増加させ、仕事をするために利用可能な使用可能なエネルギーの量を減らします。 熱力学的プロセスは、宇宙の総エントロピーを増加させる方向に進みます。 図15を参照してください。
熱力学の第3法則
熱力学の第XNUMX法則またはNerstPostulate
熱力学の第16法則は、温度と冷却に関連しています。 絶対零度でのシステムのエントロピーは明確な定数であると述べています。 図XNUMXを参照してください。
絶対零度は、それを下回ると低い測定値がなくなる最低温度であり、体が可能な限り最も寒い温度です。 絶対零度は0Kで、-273,15ºCに相当します。
結論
XNUMXつの熱力学的原理があります。 ゼロ原理では、XNUMXつ以上の物体が同じ温度にあるときに熱平衡が発生することが確立されています。
熱力学の第XNUMX法則は、プロセス間のエネルギー保存を扱い、熱力学の第XNUMX法則は、最低から最高のエントロピーへの方向性、および熱を仕事に変換する熱機関の効率または性能を扱います。
熱力学の第XNUMX法則は、温度と冷却に関連しており、絶対零度でのシステムのエントロピーは明確な定数であると述べています。