열역학 원리

넓고 복잡한 열역학 세계를 쉽게 이해하려면 기본 용어를 검토하고 열역학 원리를 소개 한 다음 열역학 법칙에 대해 더 깊이 연구하는 것부터 시작하는 것이 좋습니다. 수학적으로 표현됩니다.

열역학의 네 가지 법칙 (영 법칙, 제 XNUMX 법칙, 제 XNUMX 법칙 및 제 XNUMX 법칙)을 사용하여 서로 다른 시스템 간의 에너지 전달 및 변환이 어떻게 작동하는지 설명합니다. 자연의 많은 물리 화학적 현상을 이해하는 기초가됩니다.

기본 개념 검토

기사를 보도록 초대합니다 THERMODYNAMICS, 그 정의 및 응용

이 정보를 기사로 보완 할 수 있습니다. 와트 법칙의 힘 (응용 프로그램-연습 문제) 당분간은 우리는 따른다 ...

에너지의 형태

자신의 상황이나 상태를 수정하여 자신을 변화시키는 신체의 속성 인 에너지는 다음과 같은 다양한 형태로 나타납니다. 운동 에너지, 위치 에너지 및 신체 내부 에너지. 그림 1을 참조하십시오.

일

이것은 같은 방향으로 측정 된 힘과 변위의 곱입니다. 일을 계산하기 위해 물체의 변위에 평행 한 힘의 성분이 사용됩니다. 작업량은 Nm, Joule (J), ft.lb-f 또는 BTU로 측정됩니다. 그림 2를 참조하십시오.

열 (Q)

온도가 다른 두 물체 사이의 열 에너지 전달은 온도가 감소한다는 의미에서만 발생합니다. 열은 줄, BTU, 파운드-피트 또는 칼로리로 측정됩니다. 그림 3을 참조하십시오.

열역학 원리

제로 법칙-제로 원칙

열역학의 제로 법칙에 따르면 두 물체 A와 B가 서로 열 평형 상태에 있고 물체 A가 세 번째 물체 C와 평형을 이루면 물체 B는 물체 C와 열 평형 상태에 있습니다. 열 평형이 발생합니다. 두 개 이상의 시체가 같은 온도에있을 때. 그림 4를 참조하십시오.

이 법칙은 열역학의 기본 법칙으로 간주됩니다. 1935 년 열역학 제 XNUMX 법칙과 제 XNUMX 법칙이 제정 된 이후에 '영 법칙'으로 가정되었습니다.

열역학 제 1 법칙 (에너지 절약 원리)

열역학 제 XNUMX 법칙의 성명:

에너지 보존의 원리라고도 알려진 열역학 제 XNUMX 법칙은 에너지가 생성되거나 파괴되지 않고 다른 유형의 에너지로 변환되거나 한 물체에서 다른 물체로 전달된다는 것을 말합니다. 따라서 우주의 총 에너지 량은 변하지 않습니다.

첫 번째 법칙은“모든 것”에서 충족되며, 에너지는 지속적으로 전달되고 변환됩니다. 예를 들어 믹서 및 블렌더와 같은 일부 전기 장치에서 전기 에너지는 기계 및 열 에너지로 변환되고 인체에서는 화학 물질로 변환됩니다. 신체가 움직일 때 운동 에너지로 섭취되는 음식의 에너지 또는 그림 5와 같은 다른 예.

열역학 제 XNUMX 법칙의 방정식 :

열역학 원리 내 첫 번째 법칙의 방정식은 주어진 프로세스에서 서로 다른 유형의 에너지 사이에 존재해야하는 균형을 표현합니다. 폐쇄 된 시스템 [1]에서 에너지 교환은 열 전달에 의해서만 주어 지거나 시스템에 의해 또는 시스템에서 수행 된 작업에 의해서만 시스템의 에너지 변동이 에너지는 열과 일을 통해 전달됩니다. 그림 6을 참조하십시오.

이 에너지 균형에서 고려되는 에너지가 운동 에너지, 위치 에너지 및 내부 에너지 [1]라는 점을 고려하면 폐쇄 시스템의 에너지 균형은 그림 7과 같이 유지됩니다.

• (예) 운동 에너지 , 신체의 움직임으로 인해;
• (에피) 잠재력, 중력장에서 신체의 위치로 인해;
• (또는) 내부 에너지, 신체 내부 분자의 운동 및 위치 에너지의 미세한 기여 때문입니다.

운동 1.

밀봉 된 용기에는 초기 에너지가 10kJ 인 물질이 들어 있습니다. 물질은 500J의 작업을 수행하는 프로펠러로 교반되고 열원은 물질에 20kJ의 열을 전달합니다. 또한 공정 중에 3kJ의 열이 공기 중으로 방출됩니다. 물질의 최종 에너지를 결정하십시오. 그림 8을 참조하십시오.

솔루션 :

그림 9에서 열원에 의해 추가 된 열을 볼 수 있습니다. 이는 물질의 에너지를 증가시키기 때문에 "양성"으로 간주되고, 공기 중으로 방출되는 열은 물질의 에너지를 감소시키기 때문에 음수이며 에너지를 증가시킨 프로펠러의 작업은 양의 신호를 받았습니다.

그림 10에서는 열역학의 첫 번째 법칙에 따라 에너지 균형이 제시되고 물질의 최종 에너지가 얻어집니다.

열역학 제 XNUMX 법칙

열역학 제 XNUMX 법칙에 대한 몇 가지 진술이 있습니다 : Planck-Kelvin, Clausius, Carnot. 그들 각각은 두 번째 법칙의 다른 측면을 보여줍니다. 일반적으로 열역학 제 XNUMX 법칙은 다음과 같이 가정합니다.

• 열역학적 과정의 방향, 물리적 현상의 비가역성.
• 열 기계의 효율성.
• 속성 "엔트로피"를 입력합니다.

열역학 프로세스의 방향 :

자연적으로 에너지는 가장 높은 에너지 상태에서 가장 낮은 에너지 상태로 흐르거나 전달됩니다. 열은 뜨거운 물체에서 차가운 물체로 흐릅니다. 그림 11을 참조하십시오.

효율성 또는 열 성능 :

열역학 제 XNUMX 법칙에 따르면 에너지는 생성되거나 파괴되지 않지만 변형되거나 전달 될 수 있습니다. 그러나 모든 에너지 전달이나 변형에서 그 양은 일하는 데 유용하지 않습니다. 에너지가 전달되거나 변환되면 초기 에너지의 일부가 열 에너지로 방출됩니다. 에너지가 저하되고 품질이 저하됩니다.

모든 에너지 변환에서 얻은 에너지의 양은 항상 공급되는 에너지보다 적습니다. 열효율은 일로 변환되는 소스의 열량, 얻은 유용한 에너지와 변환에서 공급되는 에너지 사이의 비율입니다. 그림 12를 참조하십시오.

열 기계 또는 열 기계 :

열 기계는 부분적으로 열을 작업 또는 기계적 에너지로 변환하는 장치로,이를 위해 고온에서 열을 공급하는 소스가 필요합니다.

열 기계에서는 수증기, 공기 또는 연료와 같은 물질이 사용됩니다. 물질은 기계가 지속적으로 작동 할 수 있도록 주기적으로 일련의 열역학적 변형을 거칩니다.

운동 2.

화물차의 엔진은 휘발유를 태워 연소시 열을 발생시킵니다. 엔진의 각 사이클마다 5kJ의 열이 1kJ의 기계 작업으로 변환됩니다. 모터의 효율은 얼마입니까? 엔진의 각 사이클마다 얼마나 많은 열이 방출됩니까? 그림 13 참조

솔루션 :

방출되는 열을 결정하기 위해 열 기계에서 순 작업은 시스템으로의 순 열 전달과 같다고 가정합니다. 그림 14를 참조하십시오.

엔트로피:

엔트로피는 시스템의 임의성 또는 무질서 정도입니다. 엔트로피를 사용하면 작업을 생성하는 데 사용할 수없는 에너지 부분을 정량화 할 수 있습니다. 즉, 열역학 과정의 비가역성을 정량화 할 수 있습니다.

발생하는 각 에너지 전달은 우주의 엔트로피를 증가시키고 작업에 사용할 수있는 사용 가능한 에너지의 양을 줄입니다. 모든 열역학적 과정은 우주의 전체 엔트로피를 증가시키는 방향으로 진행됩니다. 그림 15를 참조하십시오.

열역학 제 3 법칙

열역학 제 XNUMX 법칙 또는 Nerst 가정

열역학의 세 번째 법칙은 온도와 냉각과 관련이 있습니다. 절대 제로에서 시스템의 엔트로피가 명확한 상수임을 나타냅니다. 그림 16을 참조하십시오.

절대 영도는 더 이상 낮은 측정 값이없는 가장 낮은 온도이며 신체가 될 수있는 가장 추운 온도입니다. 절대 영도는 0K로 -273,15ºC에 해당합니다.

결론

네 가지 열역학 원리가 있습니다. 제로 원칙에서는 두 개 이상의 물체가 동일한 온도에있을 때 열 평형이 발생한다는 것이 설정됩니다.

열역학의 첫 번째 법칙은 프로세스 간의 에너지 보존을 다루고, 열역학의 두 번째 법칙은 가장 낮은 엔트로피에서 가장 높은 엔트로피로의 방향성 및 열을 일로 변환하는 열 엔진의 효율성 또는 성능을 다룹니다.

열역학의 세 번째 법칙은 온도 및 냉각과 관련이 있으며, 절대 영도에서 시스템의 엔트로피는 일정한 상수라고 말합니다.