Termodinaminiai principai
Norint lengvai suprasti platų ir sudėtingą termodinamikos pasaulį, rekomenduojama žengti žingsnis po žingsnio, pradedant pagrindinių terminų apžvalga, įvadu į termodinamikos principus ir nuodugniau tiriant termodinamikos dėsnius, kaip jie yra išreikšti matematiškai ir jo taikymai.
Su keturiais termodinamikos dėsniais (nulinis dėsnis, pirmasis dėsnis, antrasis dėsnis ir trečias dėsnis) aprašoma, kaip veikia energijos perdavimai ir transformacijos tarp skirtingų sistemų; yra pagrindas suprasti daugelį fizikocheminių gamtos reiškinių.
Pagrindinių sąvokų apžvalga
Kviečiame pamatyti straipsnį TERMODINAMIKA, kas tai yra ir jos pritaikymas
Šią informaciją galite papildyti straipsniu Vato dėsnio galia (taikymai - pratybos) Šiuo metu MES VYKSTAME ...
Energijos formos
Energija, kūnų savybė transformuoti save, modifikuojant savo padėtį ar būseną, būna įvairių formų, tokių kaip kinetinė energija, potenciali energija ir kūnų vidinė energija. Žr. 1 paveikslą.
Dirbti
Tai yra jėgos ir poslinkio sandara, matuojami ta pačia kryptimi. Darbui apskaičiuoti naudojamas jėgos komponentas, lygiagretus objekto poslinkiui. Darbas matuojamas Nm, Džauliais (J), ft.lb-f arba BTU. Žr. 2 paveikslą.
Šiluma (Q)
Šilumos energijos perdavimas tarp dviejų kūnų, kurių temperatūra yra skirtinga, ir tai vyksta tik ta prasme, kad temperatūra mažėja. Šiluma matuojama džauliais, BTU, svarais pėdomis arba kalorijomis. Žr. 3 paveikslą.
Termodinaminiai principai
Nulis įstatymas - nulis principas
Nulinis termodinamikos dėsnis teigia, kad jei du objektai, A ir B, yra šiluminėje pusiausvyroje vienas su kitu, o objektas A yra pusiausvyroje su trečiuoju objektu C, tada objektas B yra šiluminėje pusiausvyroje su objektu C. Terminė pusiausvyra atsiranda kai du ar daugiau kūnų yra toje pačioje temperatūroje. Žr. 4 paveikslą.
Šis dėsnis laikomas pagrindiniu termodinamikos dėsniu. Jis buvo paskelbtas „nulio įstatymu“, 1935 m., Nes jis buvo paskelbtas priėmus pirmąjį ir antrąjį termodinamikos dėsnius.
1-asis termodinamikos dėsnis (energijos išsaugojimo principas)
Pirmojo termodinamikos dėsnio pareiškimas:
Pirmasis termodinamikos dėsnis, dar žinomas kaip energijos išsaugojimo principas, teigia, kad energija nėra sukuriama ar sunaikinama, ji tik transformuojama į kitą energijos rūšį arba perkeliama iš vieno objekto į kitą. Taigi bendras energijos kiekis visatoje nesikeičia.
Pirmasis dėsnis įvykdomas „viskas“, energija yra nuolat perduodama ir transformuojama, pavyzdžiui, kai kuriuose elektriniuose prietaisuose, pavyzdžiui, maišytuvuose ir maišytuvuose, elektros energija virsta mechanine ir šilumine energija, žmogaus kūne - cheminė medžiaga maisto energija, įsiurbta į kinetinę energiją, kai kūnas juda, arba kiti pavyzdžiai, pavyzdžiui, pavaizduoti 5 paveiksle.
Pirmojo termodinamikos dėsnio lygtis:
Pirmojo dėsnio lygtis termodinamikos principuose išreiškia pusiausvyrą, kuri tam tikrame procese turi egzistuoti tarp skirtingų energijos rūšių. Kadangi uždarose sistemose [1] energija gali būti keičiama tik perduodant šilumą arba atlikus darbą (sistemoje arba ant jos), nustatyta, kad sistemos energijos kitimas yra lygus energijos perdavimas per šilumą ir darbą. Žr. 6 paveikslą.
Atsižvelgiant į tai, kad šiame energijos balanse svarstomos energijos yra kinetinė energija, potenciali energija ir vidinė energija [1], uždarų sistemų energijos balansas išlieka toks, kaip parodyta 7 paveiksle.
- (ec) Kinetinė energija , dėl kūno judėjimo;
- (ep) Potencinė energija, dėl kūno padėties gravitacijos lauke;
- (ARBA) Vidinė energija, dėl kūno vidinių molekulių kinetinės ir potencialios energijos mikroskopinio indėlio.
1 pratimas
Uždaroje talpykloje yra medžiagos, kurios pradinė energija yra 10 kJ. Medžiaga maišoma su sraigtu, kuris dirba 500 J, o šilumos šaltinis medžiagai perduoda 20 kJ šilumos. Be to, proceso metu į orą išsiskiria 3kJ šilumos. Nustatykite galutinę medžiagos energiją. Žr. 8 paveikslą.
Sprendimas:
9 paveiksle matote šilumos šaltinio pridėtą šilumą, kuri laikoma „teigiama“, nes ji padidina medžiagos energiją, į orą išsiskiriančią šilumą, neigiamą, nes sumažina medžiagos energiją, ir sraigto darbas, kuris padidino energiją, įgijo teigiamą ženklą.
10 paveiksle pateikiamas energijos balansas pagal pirmąjį termodinamikos dėsnį ir gaunama galutinė medžiagos energija.
Antrasis termodinamikos dėsnis
Yra keletas antrojo termodinamikos dėsnio teiginių: Plancko-Kelvino, Clausiaus, Karno teiginys. Kiekvienas iš jų rodo skirtingą antrojo dėsnio aspektą. Apskritai antrasis termodinamikos dėsnis postuluoja:
- Termodinaminių procesų kryptis, fizinių reiškinių negrįžtamumas.
- Šiluminių mašinų efektyvumas.
- Įveskite ypatybę „entropija“.
Termodinaminių procesų kryptis:
Spontaniškai gamtoje energija teka arba perkeliama iš aukščiausios energijos būsenos į žemiausios energijos būseną. Šiluma teka iš karštų kūnų į šaltus kūnus, o ne atvirkščiai. Žr. 11 paveikslą.
Efektyvumas arba šiluminės savybės:
Pagal pirmąjį termodinamikos dėsnį energija nėra nei kuriama, nei sunaikinama, tačiau ją galima transformuoti arba perduoti. Bet visais energijos perdavimais ar transformacijomis tam tikras jo kiekis nėra naudingas. Kai energija perduodama ar transformuojama, dalis pradinės energijos išsiskiria kaip šiluminė energija: energija degraduoja, praranda kokybę.
Atliekant bet kokią energijos transformaciją, gaunamas energijos kiekis visada yra mažesnis už tiekiamą energiją. Šiluminis efektyvumas yra šilumos kiekis iš šaltinio, kuris paverčiamas darbu, santykis tarp gautos naudingos energijos ir transformacijos metu tiekiamos energijos. Žr. 12 paveikslą.
Terminė mašina arba šilumos mašina:
Terminė mašina yra įtaisas, iš dalies paverčiantis šilumą darbo ar mechanine energija, tam reikalingas šaltinis, tiekiantis šilumą aukštoje temperatūroje.
Terminėse mašinose naudojama tokia medžiaga kaip vandens garai, oras ar kuras. Medžiaga cikliškai patiria seriją termodinaminių virsmų, kad mašina galėtų nuolat veikti.
2 pratimas
Krovininės transporto priemonės variklis degindamas šilumą gamina degindamas benziną. Kiekvienam variklio ciklui 5 kJ šiluma paverčiama 1kJ mechaniniu darbu. Koks yra variklio efektyvumas? Kiek šilumos išleidžiama kiekvienam variklio ciklui? Žr. 13 paveikslą
Sprendimas:
Norint nustatyti išskiriamą šilumą, daroma prielaida, kad šiluminėse mašinose grynasis darbas yra lygus grynosios šilumos perdavimui į sistemą. Žr. 14 paveikslą.
Entropija:
Entropija yra atsitiktinumo ar sutrikimo laipsnis sistemoje. Entropija leidžia kiekybiškai įvertinti energijos dalį, kurios negalima panaudoti darbui gaminti, tai yra, ji leidžia kiekybiškai įvertinti termodinaminio proceso negrįžtamumą.
Kiekvienas įvykęs energijos perdavimas padidina visatos entropiją ir sumažina darbui atlikti naudojamos energijos kiekį. Bet koks termodinaminis procesas vyks ta kryptimi, kuri padidina visatos visumos entropiją. Žr. 15 paveikslą.
3-asis termodinamikos dėsnis
Trečiasis termodinamikos dėsnis arba Nersto postulatas
Trečiasis termodinamikos dėsnis yra susijęs su temperatūra ir aušinimu. Jame teigiama, kad sistemos entropija ties absoliučiu nuliu yra apibrėžta konstanta. Žr. 16 paveikslą.
Absoliutus nulis yra žemiausia temperatūra, žemiau kurios nebėra žemesnės vertės, tai yra šalčiausia, kokia kūnas gali būti. Absoliutus nulis yra 0 K, atitinkantis –273,15 ºC.
Išvada
Yra keturi termodinaminiai principai. Nulio principu nustatyta, kad šiluminė pusiausvyra atsiranda, kai du ar daugiau kūnų yra vienodoje temperatūroje.
Pirmasis termodinamikos dėsnis susijęs su energijos išsaugojimu tarp procesų, o antrasis termodinamikos dėsnis - apie kryptingumą nuo žemiausios iki didžiausios entropijos ir šilumos variklių, paverčiančių šilumą į darbą, efektyvumą ar našumą.
Trečiasis termodinamikos dėsnis yra susijęs su temperatūra ir aušinimu, jame teigiama, kad absoliučios nulio sistemos entropija yra apibrėžta konstanta.