Zasady termodynamiczne

Aby w łatwy sposób zrozumieć szeroki i złożony świat termodynamiki, zaleca się, aby przejść krok po kroku, zaczynając od przeglądu podstawowych pojęć, wprowadzenia do zasad termodynamiki, a następnie dogłębniej przestudiować prawa termodynamiki, w jaki sposób one są wyrażone matematycznie i ich zastosowania.

Dzięki czterem prawom termodynamiki (prawo zerowe, pierwsze prawo, drugie prawo i trzecie prawo) opisano, jak działają transfery i przemiany energii między różnymi układami; będąca podstawą zrozumienia wielu zjawisk fizykochemicznych przyrody.

Przegląd podstawowych pojęć

Zapraszamy do zapoznania się z artykułem TERMODYNAMIKA, czym jest i jakie ma zastosowanie

Możesz uzupełnić te informacje o artykuł Siła prawa Watta (aplikacje - ćwiczenia) Na razie PODĄŻAMY ...

Formy energii

Energia, właściwość ciał do przekształcania się poprzez modyfikację ich sytuacji lub stanu, występuje w wielu formach, na przykład energia kinetyczna, energia potencjalna i energia wewnętrzna ciał. Zobacz rysunek 1.

Pracować

Jest to iloczyn siły i przemieszczenia mierzonych w tym samym kierunku. Do obliczenia pracy wykorzystuje się składową siły, która jest równoległa do przemieszczenia obiektu. Praca jest mierzona w Nm, Joule (J), ft.lb-f lub BTU. Zobacz rysunek 2.

Ciepło (Q)

Transfer energii cieplnej między dwoma ciałami, które są w różnych temperaturach i zachodzi tylko w tym sensie, że temperatura spada. Ciepło mierzone jest w dżulach, BTU, funtostopach lub kaloriach. Zobacz rysunek 3.

Zasady termodynamiczne

Prawo zera - zasada zera

Zerowe prawo termodynamiki mówi, że jeśli dwa obiekty, A i B, są ze sobą w równowadze termicznej, a obiekt A jest w równowadze z trzecim obiektem C, to obiekt B jest w równowadze termicznej z obiektem C. Równowaga termiczna zachodzi gdy dwa lub więcej ciał ma tę samą temperaturę. Patrz rysunek 4.

To prawo jest uważane za podstawową zasadę termodynamiki. Postulowano ją jako „prawo zera” w 1935 r., Ponieważ postulowano ją po przyjęciu pierwszej i drugiej zasady termodynamiki.

I zasada termodynamiki (zasada zachowania energii)

Stwierdzenie pierwszej zasady termodynamiki:

Pierwsza zasada termodynamiki, znana również jako zasada zachowania energii, mówi, że energia nie jest tworzona ani niszczona, jest tylko przekształcana w inny rodzaj energii lub jest przenoszona z jednego obiektu do drugiego. Zatem całkowita ilość energii we wszechświecie nie zmienia się.

Pierwsze prawo spełnia się we „wszystkim”, energia jest przekazywana i przetwarzana w sposób ciągły, na przykład w niektórych urządzeniach elektrycznych, takich jak miksery i blendery, energia elektryczna jest przekształcana w energię mechaniczną i cieplną, w organizmie człowieka są one przekształcane chemicznie energia pożywienia, która jest spożywana w energię kinetyczną, gdy ciało jest w ruchu, lub inne przykłady, takie jak te pokazane na rysunku 5.

Równanie pierwszej zasady termodynamiki:

Równanie pierwszej zasady w ramach zasad termodynamiki wyraża równowagę, która musi istnieć między różnymi rodzajami energii w danym procesie. Ponieważ w systemach zamkniętych [1] wymianę energii można uzyskać tylko poprzez transfer ciepła lub pracę wykonaną (w systemie lub w systemie), ustalono, że zmiana energii w systemie jest równa sumie przekazywanie energii poprzez ciepło i pracę. Patrz rysunek 6.

Biorąc pod uwagę, że energie uwzględnione w tym bilansie energetycznym to energia kinetyczna, energia potencjalna i energia wewnętrzna [1], bilans energetyczny dla systemów zamkniętych pozostaje taki, jak pokazano na rysunku 7.

• (We) Energia kinetyczna, z powodu ruchu ciała;
• (Odc.) Energia potencjalna, ze względu na położenie ciała w polu grawitacyjnym;
• (LUB) Energia wewnętrzna , ze względu na mikroskopijny udział energii kinetycznej i potencjalnej wewnętrznych cząsteczek ciała.

Ćwiczenie 1.

Zamknięty pojemnik zawiera substancję o energii początkowej 10 kJ. Substancja jest mieszana za pomocą śmigła o mocy 500 J, podczas gdy źródło ciepła przekazuje 20 kJ ciepła do substancji. Ponadto w trakcie procesu do powietrza uwalniane jest 3kJ ciepła. Określ końcową energię substancji. Patrz rysunek 8.

rozwiązanie:

Na rysunku 9 można zobaczyć ciepło dodane przez źródło ciepła, które jest uważane za „dodatnie”, ponieważ zwiększa energię substancji, ciepło uwalniane do powietrza, ujemne, ponieważ zmniejsza energię substancji oraz praca śmigła zwiększającego energię miała pozytywny znak.

Na rysunku 10 przedstawiono bilans energetyczny zgodnie z pierwszą zasadą termodynamiki i otrzymujemy energię końcową substancji.

Druga zasada termodynamiki

Istnieje kilka stwierdzeń drugiej zasady termodynamiki: oświadczenie Plancka-Kelvina, Clausiusa, Carnota. Każdy z nich przedstawia inny aspekt drugiej zasady. Generalnie druga zasada termodynamiki postuluje:

• Kierunek procesów termodynamicznych, nieodwracalność zjawisk fizycznych.
• Sprawność maszyn termicznych.
• Wpisz właściwość „entropia”.

Kierunek procesów termodynamicznych:

Energia w naturze spontanicznie przepływa lub jest przenoszona z najwyższego stanu energetycznego do najniższego stanu energetycznego. Ciepło przepływa od ciał gorących do ciał zimnych, a nie odwrotnie. Patrz rysunek 11.

Sprawność lub wydajność termiczna:

Zgodnie z pierwszą zasadą termodynamiki energia nie jest ani tworzona, ani niszczona, ale może zostać przekształcona lub przekazana. Jednak we wszystkich transferach lub przemianach energii pewna jej ilość nie jest przydatna do wykonywania pracy. Gdy energia jest przenoszona lub przekształcana, część energii początkowej jest uwalniana jako energia cieplna: energia degraduje się, traci jakość.

Przy każdej transformacji energii ilość uzyskanej energii jest zawsze mniejsza niż energia dostarczona. Sprawność cieplna to ilość ciepła ze źródła zamieniana na pracę, stosunek uzyskanej energii użytecznej do energii dostarczonej podczas przemiany. Patrz rysunek 12.

Maszyna termiczna lub maszyna grzewcza:

Maszyna termiczna to urządzenie, które częściowo zamienia ciepło na pracę lub energię mechaniczną, w tym celu wymaga źródła dostarczającego ciepło o wysokiej temperaturze.

W maszynach termicznych stosuje się substancję taką jak para wodna, powietrze lub paliwo. Substancja podlega cyklicznym przemianom termodynamicznym, dzięki czemu maszyna może pracować w sposób ciągły.

Ćwiczenie 2.

Silnik pojazdu towarowego wytwarza ciepło podczas spalania poprzez spalanie benzyny. Na każdy cykl silnika ciepło 5 kJ zamieniane jest na 1 kJ pracy mechanicznej. Jaka jest sprawność silnika? Ile ciepła jest uwalniane w każdym cyklu silnika? Patrz rysunek 13

rozwiązanie:

Aby określić uwolnione ciepło, przyjmuje się, że w maszynach termicznych praca netto jest równa przenikaniu ciepła netto do układu. Patrz rysunek 14.

Entropia:

Entropia to stopień losowości lub nieporządku w systemie. Entropia pozwala na ilościowe określenie części energii, której nie można wykorzystać do wytworzenia pracy, to znaczy pozwala na ilościowe określenie nieodwracalności procesu termodynamicznego.

Każdy zachodzący transfer energii zwiększa entropię wszechświata i zmniejsza ilość użytecznej energii dostępnej do wykonania pracy. Każdy proces termodynamiczny będzie przebiegał w kierunku, który zwiększa całkowitą entropię wszechświata. Patrz rysunek 15.

III zasada termodynamiki

Trzecia zasada termodynamiki lub postulat Nersta

Trzecia zasada termodynamiki jest związana z temperaturą i chłodzeniem. Stwierdza, że ​​entropia układu w punkcie zera absolutnego jest określoną stałą. Patrz rysunek 16.

Zero absolutne to najniższa temperatura, poniżej której nie ma już niższej miary, jest to najzimniejsza temperatura, na jaką może być ciało. Zero absolutne to 0 K, co odpowiada -273,15 ° C.

Wnioski

Istnieją cztery zasady termodynamiczne. Zgodnie z zasadą zera ustalono, że równowaga termiczna zachodzi, gdy dwa lub więcej ciał ma tę samą temperaturę.

Pierwsza zasada termodynamiki dotyczy zachowania energii między procesami, podczas gdy druga zasada termodynamiki dotyczy kierunkowości od najniższej do najwyższej entropii oraz sprawności lub wydajności silników cieplnych, które zamieniają ciepło w pracę.

Trzecia zasada termodynamiki jest związana z temperaturą i chłodzeniem, głosi, że entropia układu w punkcie zera absolutnego jest określoną stałą.