Prinsip Termodinamik
Untuk memahami, dengan cara yang mudah, dunia Termodinamik yang luas dan kompleks, disarankan untuk pergi selangkah demi selangkah mulai dengan mengkaji semula istilah-istilah asas, pengenalan kepada prinsip termodinamik, dan kemudian mempelajari dengan lebih mendalam mengenai hukum termodinamik dinyatakan secara matematik dan aplikasinya.
Dengan empat undang-undang termodinamik (hukum sifar, undang-undang pertama, undang-undang kedua dan undang-undang ketiga), dijelaskan bagaimana pemindahan dan transformasi tenaga antara sistem yang berbeza berfungsi; menjadi asas untuk memahami banyak fenomena fizikal-kimia alam.
Kajian semula konsep asas
Kami menjemput anda untuk melihat artikel tersebut THERMODYNAMICS, apa itu dan aplikasinya
Anda boleh melengkapkan maklumat ini dengan artikel Kekuatan Hukum Watt (Aplikasi - Latihan) Buat masa ini KAMI IKUT ...
Bentuk tenaga
Tenaga, harta benda untuk mengubah diri mereka dengan mengubah keadaan atau keadaan mereka, terdapat dalam pelbagai bentuk, seperti tenaga kinetik, tenaga berpotensi dan tenaga dalaman badan. Lihat gambar 1.
Kerja
Ini adalah hasil daya dan anjakan, keduanya diukur dalam arah yang sama. Untuk mengira hasil kerja, komponen daya yang selari dengan anjakan objek digunakan. Kerja diukur dalam Nm, Joule (J), ft.lb-f, atau BTU. Lihat gambar 2.
Panas (Q)
Pemindahan tenaga haba antara dua badan yang berada pada suhu yang berbeza, dan hanya berlaku dalam arti suhu menurun. Haba diukur dalam Joule, BTU, pound-kaki, atau dalam kalori. Lihat gambar 3.
Prinsip Termodinamik
Zero Law - Prinsip Zero
Hukum sifar termodinamik menyatakan bahawa jika dua objek, A dan B, berada dalam keseimbangan terma antara satu sama lain, dan objek A berada dalam keseimbangan dengan objek ketiga C, maka objek B berada dalam keseimbangan termal dengan objek C. Keseimbangan terma berlaku apabila dua atau lebih badan berada pada suhu yang sama. Lihat gambar 4.
Undang-undang ini dianggap sebagai undang-undang asas termodinamik. Itu didalilkan sebagai "Hukum Nol", pada tahun 1935, karena dipostulasikan setelah hukum termodinamika pertama dan kedua dibuat.
Undang-undang Termodinamik 1 (Prinsip pemuliharaan tenaga)
Pernyataan Undang-undang Termodinamik Pertama:
Undang-undang termodinamika pertama, juga dikenali sebagai prinsip pemuliharaan tenaga, menyatakan bahawa tenaga tidak diciptakan atau dimusnahkan, ia hanya diubah menjadi jenis tenaga yang lain, atau ia dipindahkan dari satu objek ke objek yang lain. Oleh itu jumlah tenaga di alam semesta tidak berubah.
Undang-undang pertama dipenuhi dalam "segalanya", tenaga dipindahkan dan diubah secara berterusan, misalnya, dalam beberapa alat elektrik, seperti pengadun dan pengisar, tenaga elektrik diubah menjadi tenaga mekanikal dan haba, di dalam tubuh manusia mereka berubah kimia tenaga makanan yang diserap ke dalam tenaga kinetik semasa badan sedang bergerak, atau contoh lain seperti yang ditunjukkan dalam gambar 5.
Persamaan Hukum Pertama Termodinamik:
Persamaan undang-undang pertama dalam prinsip termodinamik menyatakan keseimbangan yang mesti ada antara pelbagai jenis tenaga dalam proses tertentu. Oleh kerana, dalam sistem tertutup [1], pertukaran tenaga hanya dapat dilakukan dengan pemindahan haba, atau dengan kerja yang dilakukan (oleh atau pada sistem), maka ditentukan bahawa variasi tenaga sistem sama dengan jumlah tenaga pemindahan melalui haba dan melalui kerja. Lihat gambar 6.
Memandangkan bahawa tenaga yang dipertimbangkan dalam keseimbangan tenaga ini adalah tenaga kinetik, tenaga berpotensi dan tenaga dalaman [1], keseimbangan tenaga untuk sistem tertutup tetap seperti yang ditunjukkan pada gambar 7.
- (ec) Tenaga kinetik , kerana pergerakan badan;
- (ep) Tenaga keupayaan, kerana kedudukan badan dalam medan graviti;
- (ATAU) Tenaga dalaman, kerana sumbangan mikroskopik tenaga kinetik dan potensi molekul dalaman badan.
Latihan 1.
Bekas tertutup mengandungi bahan, dengan tenaga awal 10 kJ. Bahan diaduk dengan baling-baling yang berfungsi 500 J, sementara sumber haba memindahkan 20 kJ haba ke bahan. Di samping itu, haba 3kJ dilepaskan ke udara semasa proses. Tentukan tenaga akhir bahan. Lihat gambar 8.
penyelesaian:
Pada rajah 9 anda dapat melihat haba yang ditambahkan oleh sumber haba, yang dianggap "positif" kerana ia meningkatkan tenaga bahan, panas yang dilepaskan ke udara, negatif kerana ia menurunkan tenaga bahan, dan kerja baling-baling, yang meningkatkan tenaga mengambil tanda positif.
Dalam rajah 10 keseimbangan tenaga ditunjukkan, menurut hukum termodinamika pertama dan tenaga akhir bahan diperoleh.
Undang-undang termodinamik kedua
Terdapat beberapa pernyataan undang-undang termodinamik kedua: Pernyataan Planck-Kelvin, Clausius, Carnot. Masing-masing menunjukkan aspek yang berbeza dari undang-undang kedua. Secara umum undang-undang termodinamik kedua menyatakan:
- Arah proses termodinamik, tidak dapat dipulihkan fenomena fizikal.
- Kecekapan mesin termal.
- Masukkan harta tanah "entropi".
Arah proses termodinamik:
Secara semula jadi, tenaga mengalir atau dipindahkan dari keadaan tenaga tertinggi ke keadaan tenaga terendah. Haba mengalir dari badan panas ke badan sejuk dan bukan sebaliknya. Lihat gambar 11.
Kecekapan atau prestasi terma:
Menurut undang-undang termodinamika pertama, tenaga tidak diciptakan atau dimusnahkan, tetapi dapat diubah atau dipindahkan. Tetapi dalam semua pemindahan tenaga atau transformasi, jumlahnya tidak berguna untuk melakukan kerja. Oleh kerana tenaga dipindahkan atau diubah, sebahagian daripada tenaga awal dilepaskan sebagai tenaga terma: tenaga merosot, kehilangan kualiti.
Dalam sebarang transformasi tenaga, jumlah tenaga yang diperoleh selalu kurang daripada tenaga yang dibekalkan. Kecekapan terma adalah jumlah haba dari sumber yang diubah menjadi kerja, nisbah antara tenaga berguna yang diperoleh dan tenaga yang dibekalkan dalam transformasi. Lihat gambar 12.
Mesin Termal atau Mesin Panas:
Mesin termal adalah alat yang sebahagiannya mengubah haba menjadi tenaga kerja atau tenaga mekanikal, yang memerlukan sumber yang membekalkan haba pada suhu tinggi.
Dalam mesin terma bahan seperti wap air, udara atau bahan bakar digunakan. Bahan ini mengalami serangkaian transformasi termodinamik dengan cara kitaran, sehingga mesin dapat beroperasi secara berterusan.
Latihan 2.
Enjin kenderaan kargo menghasilkan haba dalam pembakaran dengan membakar petrol. Untuk setiap kitaran enjin, haba 5 kJ ditukar menjadi 1kJ kerja mekanikal. Apakah kecekapan motor? Berapa banyak haba yang dibebaskan untuk setiap kitaran mesin? Lihat gambar 13
penyelesaian:
Untuk menentukan haba yang dibebaskan, diasumsikan bahawa dalam mesin termal kerja bersih sama dengan pemindahan haba bersih ke sistem. Lihat gambar 14.
Entropi:
Entropi adalah tahap keacakan atau gangguan dalam sistem. Entropi memungkinkan untuk mengukur bahagian tenaga yang tidak dapat digunakan untuk menghasilkan karya, yaitu, memungkinkan untuk mengukur kuantiti yang tidak dapat dipulihkan dari proses termodinamik.
Setiap pemindahan tenaga yang berlaku meningkatkan entropi alam semesta dan mengurangkan jumlah tenaga yang boleh digunakan untuk melakukan kerja. Sebarang proses termodinamik akan berjalan ke arah yang meningkatkan jumlah entropi alam semesta. Lihat rajah 15.
Undang-undang Termodinamik ke-3
Hukum Ketiga Termodinamik atau Nerst Postulate
Hukum ketiga termodinamik berkaitan dengan suhu dan penyejukan. Ia menyatakan bahawa entropi sistem pada sifar mutlak adalah pemalar pasti. Lihat gambar 16.
Sifar mutlak adalah suhu terendah di bawah yang tidak ada ukuran yang lebih rendah lagi, yang paling sejuk adalah badan. Nol mutlak ialah 0 K, bersamaan dengan -273,15 ºC.
Kesimpulan
Terdapat empat prinsip termodinamik. Dalam prinsip sifar ditetapkan bahawa keseimbangan terma berlaku apabila dua atau lebih badan berada pada suhu yang sama.
Undang-undang termodinamik pertama berkaitan dengan penjimatan tenaga antara proses, sementara undang-undang termodinamik kedua berkaitan dengan arah dari entropi terendah ke tertinggi, dan kecekapan atau prestasi enjin haba yang mengubah haba menjadi berfungsi.
Hukum ketiga termodinamik berkaitan dengan suhu dan penyejukan, ia menyatakan bahawa entropi sistem pada sifar mutlak adalah pemalar pasti.