Termodinamiskie principi
Lai viegli saprastu plašo un sarežģīto termodinamikas pasauli, ieteicams iet soli pa solim, sākot ar pamatterminu pārskatīšanu, ievadu termodinamikas principos un pēc tam padziļināti izpētot termodinamikas likumus, kā tie tiek izteikti matemātiski un tā pielietojumi.
Ar četriem termodinamikas likumiem (nulles likums, pirmais likums, otrais likums un trešais likums) tiek aprakstīts, kā darbojas enerģijas pārnese un pārveidošana starp dažādām sistēmām; ir pamats daudzu dabas fizikāli ķīmisko parādību izpratnei.
Pamatjēdzienu pārskats
Mēs aicinām jūs apskatīt rakstu TERMODINAMIKA, kas tas ir un tā pielietojums
Šo informāciju varat papildināt ar rakstu Vata likuma spēks (pielietojums - vingrinājumi) Pagaidām Mēs sekojam ...
Enerģijas formas
Enerģija, ķermeņa īpašība, lai pārveidotu sevi, modificējot savu stāvokli vai stāvokli, izpaužas dažādos veidos, piemēram kinētiskā enerģija, potenciālā enerģija un ķermeņu iekšējā enerģija. Skatīt 1. attēlu.
Strādāt
Tas ir spēka un pārvietojuma reizinājums, abus mērot vienā virzienā. Lai aprēķinātu darbu, tiek izmantota spēka sastāvdaļa, kas ir paralēla objekta pārvietošanai. Darbs tiek mērīts Nm, džoulos (J), ft.lb-f vai BTU. Skatīt 2. attēlu.
Karstums (Q)
Siltumenerģijas nodošana starp diviem ķermeņiem, kas atrodas dažādās temperatūrās, un tas notiek tikai tādā nozīmē, ka temperatūra samazinās. Siltumu mēra džoulos, BTU, mārciņās vai kalorijās. Skatīt 3. attēlu.
Termodinamiskie principi
Nulles likums - nulles princips
Termodinamikas nulles likums nosaka, ka, ja divi objekti A un B atrodas termiskā līdzsvarā viens ar otru un objekts A ir līdzsvarā ar trešo objektu C, tad objekts B atrodas siltuma līdzsvarā ar objektu C. Siltuma līdzsvars rodas kad divi vai vairāki ķermeņi atrodas vienā un tajā pašā temperatūrā. Skatīt 4. attēlu.
Šis likums tiek uzskatīts par termodinamikas pamatlikumu. Tas tika postulēts kā "Nulles likums", 1935. gadā, jo tas tika postulēts pēc pirmā un otrā termodinamikas likumu pieņemšanas.
1. termodinamikas likums (enerģijas saglabāšanas princips)
Pirmā termodinamikas likuma paziņojums:
Pirmajā termodinamikas likumā, kas pazīstams arī kā enerģijas saglabāšanas princips, teikts, ka enerģija netiek radīta vai iznīcināta, tā tikai tiek pārveidota par cita veida enerģiju vai tiek pārnesta no viena objekta uz otru. Tādējādi kopējais enerģijas daudzums Visumā nemainās.
Pirmais likums ir izpildīts “visā”, enerģija tiek nepārtraukti nodota un pārveidota, piemēram, dažās elektriskajās ierīcēs, piemēram, maisītājos un blenderos, elektriskā enerģija tiek pārveidota par mehānisko un siltuma enerģiju, cilvēka ķermenī tie tiek pārveidoti par ķīmisko vielu pārtikas enerģija, kas tiek uzņemta kinētiskajā enerģijā, kad ķermenis ir kustībā, vai citi piemēri, piemēram, tie, kas parādīti 5. attēlā.
Pirmā termodinamikas likuma vienādojums:
Pirmā likuma vienādojums termodinamisko principu ietvaros izsaka līdzsvaru, kuram jābūt pastāvam starp dažādiem enerģijas veidiem attiecīgajā procesā. Tā kā slēgtās sistēmās [1] enerģijas apmaiņu var veikt tikai ar siltuma pārnesi vai ar paveikto darbu (sistēmā vai uz tās), tiek noteikts, ka sistēmas enerģijas variācija ir vienāda ar enerģijas daudzumu enerģijas pārnešana caur siltumu un darbu. Skatīt 6. attēlu.
Ņemot vērā, ka šajā enerģijas bilancē aplūkojamās enerģijas ir kinētiskā enerģija, potenciālā enerģija un iekšējā enerģija [1], enerģijas bilance slēgtām sistēmām saglabājas, kā parādīts 7. attēlā.
- (ec) Kinētiskā enerģija , ķermeņa kustības dēļ;
- (ep) Potenciālā enerģija, ķermeņa stāvokļa dēļ gravitācijas laukā;
- (VAI) Iekšējā enerģija, ķermeņa iekšējo molekulu kinētiskās un potenciālās enerģijas mikroskopisko ieguldījumu dēļ.
1 vingrinājums
Aizzīmogotā traukā ir viela ar sākotnējo enerģiju 10 kJ. Vielu maisa ar propelleru, kas veic 500 J darbu, savukārt siltuma avots vielai pārnes 20 kJ siltuma. Turklāt procesa laikā 3kJ siltuma izdalās gaisā. Nosakiet vielas galīgo enerģiju. Skatīt 8. attēlu.
Risinājums:
9. attēlā var redzēt siltuma avota pievienoto siltumu, kas tiek uzskatīts par "pozitīvu", jo tas palielina vielas enerģiju, gaisā izdalīto siltumu ir negatīvu, jo tas samazina vielas enerģiju, un spirāles darbs, kas palielināja enerģiju, ieguva pozitīvu zīmi.
10. attēlā enerģijas bilance ir parādīta saskaņā ar pirmo termodinamikas likumu un tiek iegūta vielas galīgā enerģija.
Otrais termodinamikas likums
Ir vairāki otrā termodinamikas likuma apgalvojumi: Plankas-Kelvinas, Klausiusa, Karnota paziņojums. Katrs no tiem parāda atšķirīgu otrā likuma aspektu. Parasti otrais termodinamikas likums postulē:
- Termodinamisko procesu virziens, fizisko parādību neatgriezeniskums.
- Termisko mašīnu efektivitāte.
- Ievadiet rekvizītu "entropija".
Termodinamisko procesu virziens:
Spontāni dabā enerģija plūst vai tiek pārvietota no augstākā enerģijas stāvokļa uz zemāko enerģijas stāvokli. Siltums plūst no karstajiem ķermeņiem uz aukstajiem ķermeņiem, nevis otrādi. Skatīt 11. attēlu.
Efektivitāte vai siltuma veiktspēja:
Saskaņā ar pirmo termodinamikas likumu enerģija netiek ne radīta, ne iznīcināta, bet to var pārveidot vai pārnest. Bet visos enerģijas pārnesumos vai pārveidojumos tā daudzumam nav lietderīgi strādāt. Pārnesot vai pārveidojot enerģiju, daļa sākotnējās enerģijas tiek atbrīvota kā siltuma enerģija: enerģija degradējas, zaudē kvalitāti.
Jebkurā enerģijas pārveidošanā iegūtais enerģijas daudzums vienmēr ir mazāks par piegādāto enerģiju. Termiskā efektivitāte ir siltuma daudzums no avota, kas tiek pārveidots par darbu, attiecība starp iegūto lietderīgo enerģiju un transformācijā piegādāto enerģiju. Skatīt 12. attēlu.
Termiskā mašīna vai siltuma mašīna:
Termiskā mašīna ir ierīce, kas daļēji pārveido siltumu darba vai mehāniskajā enerģijā, tāpēc tam ir nepieciešams avots, kas piegādā siltumu augstā temperatūrā.
Termiskajās mašīnās tiek izmantota tāda viela kā ūdens tvaiki, gaiss vai degviela. Vielai cikliski notiek virkne termodinamisku pārveidojumu, lai mašīna varētu darboties nepārtraukti.
2 vingrinājums
Kravas transportlīdzekļa motors sadedzinot rada siltumu, sadedzinot benzīnu. Katram motora ciklam 5 kJ siltums tiek pārvērsts par 1kJ mehāniskā darba. Kāda ir motora efektivitāte? Cik daudz siltuma izdalās katram motora ciklam? Skatīt 13. attēlu
Risinājums:
Lai noteiktu izdalīto siltumu, tiek pieņemts, ka siltuma mašīnās neto darbs ir vienāds ar tīro siltuma pārnesi uz sistēmu. Skatīt 14. attēlu.
Entropija:
Entropija ir nejaušības vai traucējumu pakāpe sistēmā. Entropija ļauj kvantificēt to enerģijas daļu, kuru nevar izmantot darba ražošanai, tas ir, tas ļauj kvantitatīvi noteikt termodinamiskā procesa neatgriezeniskumu.
Katra enerģijas pārnešana, kas notiek, palielina Visuma entropiju un samazina darba veikšanai pieejamo enerģijas daudzumu. Jebkurš termodinamiskais process norisināsies virzienā, kas palielina Visuma kopējo entropiju. Skatīt 15. attēlu.
3. termodinamikas likums
Trešais termodinamikas likums jeb Nersta postulāts
Trešais termodinamikas likums ir saistīts ar temperatūru un dzesēšanu. Tajā teikts, ka absolūtās nulles sistēmas entropija ir noteikta konstante. Skatīt 16. attēlu.
Absolūtā nulle ir zemākā temperatūra, zem kuras vairs nav zemāka līmeņa, tas ir aukstākais, kāds ķermenis var būt. Absolūtais nulle ir 0 K, kas ir ekvivalents -273,15 ºC.
Secinājums
Ir četri termodinamiskie principi. Pēc nulles principa ir noteikts, ka siltuma līdzsvars rodas, ja divi vai vairāki ķermeņi atrodas vienā un tajā pašā temperatūrā.
Pirmais termodinamikas likums attiecas uz enerģijas saglabāšanu starp procesiem, bet otrais termodinamikas likums attiecas uz virzību no zemākās līdz augstākajai entropijai un siltuma dzinēju efektivitāti vai veiktspēju, kas siltumu pārvērš darbā.
Trešais termodinamikas likums ir saistīts ar temperatūru un dzesēšanu, tajā teikts, ka absolūtās nulles sistēmas entropija ir noteikta konstante.