Termodynamiske prinsipper
For å forstå, på en enkel måte, den brede og komplekse verden av termodynamikk, anbefales det å gå trinn for trinn med en gjennomgang av grunnleggende begreper, en introduksjon til termodynamiske prinsipper, og deretter studere de termodynamiske lovene nærmere, hvordan de uttrykkes matematisk. og dets applikasjoner.
Med de termodynamiske lovene (null lov, første lov, andre lov og tredje lov), blir det beskrevet hvordan overføringer og transformasjoner av energi mellom forskjellige systemer fungerer; være grunnlaget for å forstå mange fysisk-kjemiske fenomener i naturen.
Gjennomgang av grunnleggende konsepter
Vi inviterer deg til å se artikkelen TERMODYNAMIKK, hva det er og dets applikasjoner
Du kan utfylle denne informasjonen med artikkelen Kraften til Watts lov (applikasjoner - øvelser) Foreløpig VI FØLGER ...
Energiformer
Energi, kroppens eiendom til å transformere seg selv ved å endre deres situasjon eller tilstand, kommer i mange former, for eksempel kinetisk energi, potensiell energi og indre energi i kroppen. Se figur 1.
Arbeid
Det er et produkt av en kraft og forskyvning, begge målt i samme retning. For å beregne arbeidet brukes komponenten av kraften som er parallell med forskyvningen av objektet. Arbeidet måles i Nm, Joule (J), ft.lb-f eller BTU. Se figur 2.
Varme (Q)
Overføring av termisk energi mellom to legemer som har forskjellige temperaturer, og det skjer bare i den forstand at temperaturen synker. Varme måles i Joule, BTU, pund-føtter eller i kalorier. Se figur 3.
Termodynamiske prinsipper
Null lov - null prinsipp
Nulloven til termodynamikken sier at hvis to objekter, A og B, er i termisk likevekt med hverandre, og objekt A er i likevekt med et tredje objekt C, så er objekt B i termisk likevekt med objekt C. Den termiske likevekten oppstår når to eller flere kropper har samme temperatur. Se figur 4.
Denne loven regnes som en grunnleggende lov om termodynamikk. Den ble postulert som "Zero Law", i 1935, siden den ble postulert etter at termodynamikkens første og andre lover ble laget.
1. lov om termodynamikk (prinsipp for bevaring av energi)
Erklæring om den første loven om termodynamikk:
Den første loven om termodynamikk, også kjent som prinsippet om bevaring av energi, sier at energi ikke blir skapt eller ødelagt, den blir bare transformert til en annen type energi, eller den overføres fra et objekt til et annet. Dermed endres ikke den totale energimengden i universet.
Den første loven oppfylles i "alt", energi overføres og transformeres kontinuerlig, for eksempel i noen elektriske apparater, for eksempel miksere og miksere, blir elektrisk energi transformert til mekanisk og termisk energi. I menneskekroppen blir de forvandlet til kjemisk energi av mat som inntas i kinetisk energi når kroppen er i bevegelse, eller andre eksempler som de som er vist i figur 5.
Ligning av den første loven om termodynamikk:
Ligningen til den første loven innenfor de termodynamiske prinsippene uttrykker balansen som må eksistere mellom de forskjellige energityper i en gitt prosess. Siden, i lukkede systemer [1], energiutveksling bare kan gis ved overføring av varme, eller ved utført arbeid (av eller på systemet), er det fastslått at energivariasjonen til et system er lik summen av energioverføringer gjennom varme og gjennom arbeid. Se figur 6.
Med tanke på at energiene som tas med i denne energibalansen er kinetisk energi, potensiell energi og intern energi [1], forblir energibalansen for lukkede systemer som vist i figur 7.
- (ec) Kinetisk energi, på grunn av kroppens bevegelse;
- (ep) Potensiell energi, på grunn av kroppens posisjon i et gravitasjonsfelt;
- (ELLER) Indre energi , på grunn av de mikroskopiske bidragene til den kinetiske og potensielle energien til de indre molekylene i kroppen.
Oppgave 1.
En forseglet beholder inneholder et stoff med en startenergi på 10 kJ. Stoffet omrøres med en propell som gjør 500 J-arbeid, mens en varmekilde overfører 20 kJ varme til stoffet. I tillegg slippes 3kJ varme ut i luften under prosessen. Bestem den endelige energien til stoffet. Se figur 8.
Løsning:
I figur 9 kan du se varmen tilført av varmekilden, som betraktes som "positiv" siden den øker stoffets energi, varmen som slippes ut i luften, negativ siden den reduserer stoffets energi og arbeidet til propellen, som økte energien, fikk et positivt tegn.
I figur 10 er energibalansen presentert, i henhold til termodynamikkens første lov og den endelige energien til stoffet oppnås.
Andre lov om termodynamikk
Det er flere uttalelser fra den andre loven om termodynamikk: Erklæring om Planck-Kelvin, Clausius, Carnot. Hver av dem viser et annet aspekt av den andre loven. Generelt postulerer den andre loven om termodynamikk:
- Retningen av termodynamiske prosesser, irreversibilitet av fysiske fenomener.
- Effektiviteten til termiske maskiner.
- Skriv inn eiendommen "entropi".
Retning av termodynamiske prosesser:
Spontant i naturen strømmer eller overføres energi fra den høyeste energitilstanden til den laveste energitilstanden. Varme strømmer fra varme kropper til kalde kropper og ikke omvendt. Se figur 11.
Effektivitet eller termisk ytelse:
I henhold til termodynamikkens første lov blir energi verken skapt eller ødelagt, men den kan transformeres eller overføres. Men i all energioverføring eller transformasjon er en mengde av det ikke nyttig å utføre arbeid. Når energi overføres eller transformeres, frigjøres en del av den opprinnelige energien som termisk energi: energi brytes ned, mister kvalitet.
I enhver energitransformasjon er mengden oppnådd energi alltid mindre enn tilført energi. Termisk effektivitet er mengden varme fra kilden som omdannes til arbeid, forholdet mellom oppnådd nyttig energi og energien som tilføres i en transformasjon. Se figur 12.
Termisk maskin eller varmemaskin:
Den termiske maskinen er en enhet som delvis omdanner varme til arbeid eller mekanisk energi, som den krever en kilde som leverer varme ved høy temperatur.
I termiske maskiner brukes et stoff som vanndamp, luft eller drivstoff. Stoffet gjennomgår en serie termodynamiske transformasjoner på en syklisk måte, slik at maskinen kan fungere kontinuerlig.
Oppgave 2.
Motoren til et lastebil produserer forbrenning ved forbrenning av bensin. For hver syklus av motoren konverteres varmen på 5 kJ til 1kJ mekanisk arbeid. Hva er effektiviteten til motoren? Hvor mye varme frigjøres for hver syklus av motoren? Se figur 13
Løsning:
For å bestemme varmen som frigjøres, antas det at i termiske maskiner er nettverket lik nettoverføringen til systemet. Se figur 14.
Entropi:
Entropi er graden av tilfeldighet eller lidelse i et system. Entropi gjør det mulig å kvantifisere den delen av energien som ikke kan brukes til å produsere arbeid, det vil si at den gjør det mulig å kvantifisere irreversibiliteten til en termodynamisk prosess.
Hver energioverføring som skjer øker entropien til universet og reduserer mengden brukbar energi som er tilgjengelig for arbeid. Enhver termodynamisk prosess vil gå i en retning som øker den totale entropien i universet. Se figur 15.
3. lov om termodynamikk
Tredje lov om termodynamikk eller Nerst Postulate
Den tredje loven om termodynamikk er relatert til temperatur og kjøling. Den sier at entropien til et system ved absolutt null er en bestemt konstant. Se figur 16.
Absolutt null er den laveste temperaturen der det ikke lenger er et lavere mål, det er det kaldeste et legeme kan være. Absolutt null er 0 K, tilsvarende -273,15 ºC.
Konklusjon
Det er fire termodynamiske prinsipper. I null-prinsippet er det fastslått at termisk likevekt oppstår når to eller flere legemer har samme temperatur.
Den første loven om termodynamikk handler om bevaring av energi mellom prosesser, mens den andre loven om termodynamikk omhandler retningsbestemmelsen fra laveste til høyeste entropi, og effektiviteten eller ytelsen til varmemotorer som omdanner varme til arbeid.
Den tredje loven om termodynamikk er relatert til temperatur og kjøling, den sier at entropien til et system ved absolutt null er en bestemt konstant.