Parimet termodinamike
Për të kuptuar, në një mënyrë të lehtë, botën e gjerë dhe komplekse të Termodinamikës, rekomandohet të shkoni hap pas hapi duke filluar me një rishikim të termave themelorë, një hyrje në parimet termodinamike dhe më pas duke studiuar në thellësi ligjet termodinamike, si ato shprehen matematikisht. dhe zbatimet e tij.
Me katër ligjet e termodinamikës (ligji zero, ligji i parë, ligji i dytë dhe ligji i tretë), përshkruhet se si funksionojnë transferimet dhe transformimet e energjisë midis sistemeve të ndryshme; duke qenë baza për të kuptuar shumë fenomene fiziko-kimike të natyrës.
Rishikimi i koncepteve themelore
Ne ju ftojmë të shihni artikullin THERMODYNAMICS, çfarë është dhe zbatimet e saj
Ju mund ta plotësoni këtë informacion me artikullin Fuqia e Ligjit të Watt (Zbatime - Ushtrime) Për momentin NDJEKEMI ...
Format e energjisë
Energjia, pronë e trupave për të transformuar veten duke modifikuar situatën ose gjendjen e tyre, vjen në shumë forma, të tilla si energjia kinetike, energjia potenciale dhe energjia e brendshme e trupave. Shikoni figurën 1.
Punë
Isshtë produkt i një force dhe zhvendosjeje, të dy matur në të njëjtin drejtim. Për të llogaritur punën, përdoret përbërësi i forcës që është paralel me zhvendosjen e objektit. Puna matet në Nm, Joule (J), ft.lb-f ose BTU. Shikoni figurën 2.
Nxehtësia (Q)
Transferimi i energjisë termike midis dy trupave që janë në temperatura të ndryshme, dhe kjo ndodh vetëm në kuptimin që temperatura ulet. Nxehtësia matet në Joule, BTU, kile-këmbë ose në kalori. Shikoni figurën 3.
Parimet termodinamike
Ligji Zero - Parimi Zero
Ligji zero i termodinamikës thotë se nëse dy objekte, A dhe B, janë në ekuilibër termik me njëri-tjetrin, dhe objekti A është në ekuilibër me një objekt të tretë C, atëherë objekti B është në ekuilibër termik me objekt C. Ekuilibri termik ndodh kur dy ose më shumë trupa janë në të njëjtën temperaturë. Shikoni figurën 4.
Ky ligj konsiderohet si një ligj themelor i termodinamikës. Ulatedshtë postuluar si "Ligji Zero", në 1935, meqenëse u postulua pasi u bënë ligjet e para dhe të dytë të termodinamikës.
Ligji i parë i termodinamikës (Parimi i ruajtjes së energjisë)
Deklarata e Ligjit të Parë të Termodinamikës:
Ligji i parë i termodinamikës, i njohur gjithashtu si parimi i ruajtjes së energjisë, thotë se energjia nuk krijohet ose shkatërrohet, ajo vetëm transformohet në një lloj tjetër energjie, ose transferohet nga një objekt në tjetrin. Kështu sasia totale e energjisë në univers nuk ndryshon.
Ligji i parë plotësohet në "gjithçka", energjia transferohet dhe transformohet në mënyrë të vazhdueshme, për shembull, në disa pajisje elektrike, të tilla si miksera dhe përzierës, energjia elektrike shndërrohet në energji mekanike dhe termike, në trupin e njeriut ato transformohen kimike energjia e ushqimit që futet në energji kinetike kur trupi është në lëvizje, ose shembuj të tjerë siç janë ato të paraqitura në figurën 5.
Ekuacioni i Ligjit të Parë të Termodinamikës:
Ekuacioni i ligjit të parë brenda parimeve termodinamike shpreh ekuilibrin që duhet të ekzistojë midis llojeve të ndryshme të energjisë në një proces të caktuar. Meqenëse, në sistemet e mbyllura [1], shkëmbimet e energjisë mund të jepen vetëm nga transferimi i nxehtësisë, ose nga puna e bërë (nga ose në sistem), përcaktohet se variacioni i energjisë i një sistemi është i barabartë me shumën e energjisë transferimet përmes nxehtësisë dhe përmes punës. Shikoni figurën 6.
Duke marrë parasysh që energjitë e konsideruara në këtë bilanc të energjisë janë energjia kinetike, energjia potenciale dhe energjia e brendshme [1], bilanci i energjisë për sistemet e mbyllura mbetet siç tregohet në figurën 7.
- (ec) Energjia kinetike, për shkak të lëvizjes së një trupi;
- (ep) Energji potenciale, për shkak të pozicionit të një trupi në një fushë gravitacionale;
- (OR) Energjia e brendshme, për shkak të kontributeve mikroskopike të energjisë kinetike dhe potenciale të molekulave të brendshme të një trupi.
Ushtrimi 1.
Një enë e mbyllur përmban një substancë, me një energji fillestare prej 10 kJ. Substanca trazohet me një helikë që bën 500 J punë, ndërsa një burim nxehtësie transferon 20 kJ nxehtësi në substancë. Përveç kësaj, 3kJ nxehtësi lirohet në ajër gjatë procesit. Përcaktoni energjinë përfundimtare të substancës. Shikoni figurën 8.
Zgjidhja:
Në figurën 9 mund të shihni nxehtësinë e shtuar nga burimi i nxehtësisë, i cili konsiderohet "pozitiv" pasi rrit energjinë e substancës, nxehtësinë që lëshohet në ajër, negative pasi zvogëlon energjinë e substancës dhe puna e helikës, e cila rriti energjinë mori një shenjë pozitive.
Në figurën 10 është paraqitur bilanci i energjisë, sipas ligjit të parë të termodinamikës dhe merret energjia përfundimtare e substancës.
Ligji i dytë i termodinamikës
Ekzistojnë disa thënie të ligjit të dytë të termodinamikës: Deklarata e Planck-Kelvin, Clausius, Carnot. Secili prej tyre tregon një aspekt të ndryshëm të ligjit të dytë. Në përgjithësi, ligji i dytë i termodinamikës postulatet:
- Drejtimi i proceseve termodinamike, pakthyeshmëria e fenomeneve fizike.
- Efikasiteti i makinave termike.
- Vendosni pronën "entropi".
Drejtimi i proceseve termodinamike:
Në mënyrë spontane në natyrë, energjia rrjedh ose transferohet nga gjendja më e lartë e energjisë në gjendjen më të ulët të energjisë. Nxehtësia rrjedh nga trupat e nxehtë në trupat e ftohtë dhe jo e kundërta. Shikoni figurën 11.
Efikasiteti ose performanca termike:
Sipas ligjit të parë të termodinamikës, energjia as nuk krijohet, as shkatërrohet, por ajo mund të transformohet ose transferohet. Por në të gjitha transferimet ose transformimet e energjisë një sasi e saj nuk është e dobishme për të bërë punë. Ndërsa energjia transferohet ose transformohet, një pjesë e energjisë fillestare çlirohet si energji termike: energjia degradon, humbet cilësinë.
Në çdo transformim të energjisë, sasia e energjisë së marrë është gjithmonë më e vogël se energjia e furnizuar. Efikasiteti termik është sasia e nxehtësisë nga burimi që shndërrohet në punë, raporti midis energjisë së dobishme të përfituar dhe energjisë së furnizuar në një transformim. Shikoni figurën 12.
Makina termike ose makina e nxehtësisë:
Makina termike është një pajisje që shndërron pjesërisht nxehtësinë në punë ose energji mekanike, për të cilën kërkon një burim që furnizon nxehtësinë në temperaturë të lartë.
Në makineritë termike përdoret një substancë si avulli i ujit, ajri ose karburantit. Substanca pëson një seri transformimesh termodinamike në një mënyrë ciklike, në mënyrë që makineria të funksionojë vazhdimisht.
Ushtrimi 2.
Motori i një automjeti ngarkese prodhon nxehtësi në djegie duke djegur benzinë. Për secilin cikël të motorit, nxehtësia prej 5 kJ shndërrohet në 1kJ të punës mekanike. Cila është efikasiteti i motorit? Sa nxehtësi lirohet për çdo cikël të motorit? Shikoni figurën 13
Zgjidhja:
Për të përcaktuar nxehtësinë e lëshuar, supozohet se në makineritë termike puna neto është e barabartë me transferimin neto të nxehtësisë në sistem. Shikoni figurën 14.
Entropi:
Entropia është shkalla e rastësisë ose çrregullimit në një sistem. Entropia bën të mundur që të përcaktohet sasia e pjesës së energjisë që nuk mund të përdoret për të prodhuar punë, domethënë bën të mundur që të përcaktohet sasia e pakthyeshme e një procesi termodinamik.
Çdo transfer i energjisë që ndodh rrit entropinë e universit dhe zvogëlon sasinë e energjisë së përdorshme në dispozicion për të bërë punë. Çdo proces termodinamik do të vazhdojë në një drejtim që rrit entropinë totale të universit. Shikoni figurën 15.
Ligji i 3-të i Termodinamikës
Ligji i tretë i Termodinamikës ose Nerst Postulat
Ligji i tretë i termodinamikës ka të bëjë me temperaturën dhe ftohjen. Ai shprehet se entropia e një sistemi në zero absolute është një konstante e caktuar. Shikoni figurën 16.
Zeroja absolute është temperatura më e ulët nën të cilën nuk ka më një masë më të ulët, është më e ftohta që mund të jetë një trup. Zero absolute është 0 K, ekuivalente me -273,15 ºC.
Përfundim
Ekzistojnë katër parime termodinamike. Në parimin zero është vërtetuar se ekuilibri termik ndodh kur dy ose më shumë trupa janë në të njëjtën temperaturë.
Ligji i parë i termodinamikës ka të bëjë me ruajtjen e energjisë midis proceseve, ndërsa ligji i dytë i termodinamikës ka të bëjë me drejtimin nga entropia më e ulët në atë më të lartë dhe efikasitetin ose performancën e motorëve të nxehtësisë që e shndërrojnë nxehtësinë në punë.
Ligji i tretë i termodinamikës ka të bëjë me temperaturën dhe ftohjen, ai thotë se entropia e një sistemi në zero absolute është një konstante e caktuar.