Термодинамички принципи
Да бисте на лак начин разумели широк и сложен свет термодинамике, препоручује се корак по корак, почевши од прегледа основних појмова, увода у термодинамичке принципе, а затим детаљније проучавајући термодинамичке законе, како они изражени су математички.и његове примене.
Са четири закона термодинамике (нулти закон, први закон, други закон и трећи закон) описано је како функционишу преноси и трансформације енергије између различитих система; представљајући основу за разумевање многих физичко-хемијских појава природе.
Преглед основних појмова
Позивамо вас да погледате чланак ТЕРМОДИНАМИКА, шта је то и њене примене
Ове податке можете допунити чланком Моћ Ватовог закона (пријаве - вежбе) За сада ПРАТИМО ...
Облици енергије
Енергија, својство тела да се трансформишу модификујући своју ситуацију или стање, има у многим облицима, као што су кинетичка енергија, потенцијална енергија и унутрашња енергија тела. Погледајте слику 1.
Посао
То је производ силе и померања, оба мерена у истом смеру. За израчунавање рада користи се компонента силе која је паралелна са померањем предмета. Рад се мери у Нм, џулима (Ј), фт.лб-ф или БТУ. Погледајте слику 2.
Топлота (К)
Пренос топлотне енергије између два тела која су на различитим температурама, а јавља се само у смислу да температура опада. Топлота се мери у џулима, БТУ, килограмима или калоријама. Погледајте слику 3.
Термодинамички принципи
Нулти закон - нулти принцип
Нулти закон термодинамике каже да ако су два објекта, А и Б, међусобно у топлотној равнотежи, а објект А у равнотежи са трећим објектом Ц, онда је објекат Б у топлотној равнотежи са објектом Ц. Долази до топлотне равнотеже када су два или више тела на истој температури. Погледајте слику 4.
Овај закон се сматра основним законом термодинамике. Био је постављен као „Нулти закон“ 1935. године, пошто је постулиран након доношења првог и другог закона термодинамике.
1. закон термодинамике (принцип очувања енергије)
Изјава првог закона термодинамике:
Први закон термодинамике, познат и као принцип очувања енергије, каже да се енергија не ствара или уништава, она се само трансформише у другу врсту енергије или се преноси са једног објекта на други. Тако се укупна количина енергије у универзуму не мења.
Први закон је испуњен у „свему“, енергија се непрекидно преноси и трансформише, на пример, у неким електричним уређајима, попут мешача и блендера, електрична енергија се претвара у механичку и топлотну, у људском телу се хемијска енергија хране која се уноси у кинетичку енергију када је тело у покрету, или други примери попут оних приказаних на слици 5.
Једначина првог закона термодинамике:
Једначина првог закона у термодинамичким принципима изражава равнотежу која мора постојати између различитих врста енергије у датом процесу. С обзиром на то да се у затвореним системима [1] размена енергије може дати само преносом топлоте или обављеним радом (у систему или на њему), утврђено је да је енергетска варијација система једнака збиру преноси енергију кроз топлоту и кроз рад. Погледајте слику 6.
Узимајући у обзир да су енергије које се разматрају у овом енергетском билансу кинетичка, потенцијална и унутрашња енергија [1], енергетски биланс за затворене системе остаје као што је приказано на слици 7.
- (Ец) Кинетичке енергије , услед кретања тела;
- (Еп) Потенцијална енергија, због положаја тела у гравитационом пољу;
- (У) Унутрашња енергија , због микроскопског доприноса кинетичке и потенцијалне енергије унутрашњих молекула тела.
Вежба 1.
Запечаћени контејнер садржи супстанцу, чија је почетна енергија 10 кЈ. Супстанца се меша пропелером који ради 500 Ј, док извор топлоте преноси 20 кЈ топлоте на супстанцу. Поред тога, 3кЈ топлоте се током процеса ослобађа у ваздух. Одредити коначну енергију супстанце. Погледајте слику 8.
rešenje:
На слици 9 можете видети топлоту коју додаје извор топлоте, која се сматра "позитивном", јер повећава енергију супстанце, топлоту која се ослобађа у ваздух, негативну, јер смањује енергију супстанце, и рад пропелера, који је повећавао енергију, добио је позитиван предзнак.
На слици 10 је представљен енергетски биланс према првом закону термодинамике и добијена је коначна енергија супстанце.
Други закон термодинамике
Постоји неколико изјава другог закона термодинамике: Изјава Планцк-Келвина, Цлаусиуса, Царнота. Свака од њих показује другачији аспект другог закона. Генерално, други закон термодинамике постулира:
- Правац термодинамичких процеса, неповратност физичких појава.
- Ефикасност термичких машина.
- Унесите својство „ентропија“.
Правац термодинамичких процеса:
Спонтано у природи енергија тече или се преноси из највишег у најниже енергетско стање. Топлота тече из врућих тела у хладна тела, а не обрнуто. Погледајте слику 11.
Ефикасност или топлотне перформансе:
Према првом закону термодинамике, енергија се не ствара нити уништава, али се може трансформисати или пренети. Али у свим преносима енергије или трансформацијама, одређена количина није корисна за обављање посла. Како се енергија преноси или трансформише, део почетне енергије се ослобађа као топлотна енергија: енергија се разграђује, губи на квалитету.
У било којој енергетској трансформацији, количина добијене енергије је увек мања од испоручене енергије. Термичка ефикасност је количина топлоте из извора која се претвара у рад, однос између добијене корисне енергије и енергије која се добија у трансформацији. Погледајте слику 12.
Термална машина или машина за грејање:
Термичка машина је уређај који делимично претвара топлоту у радну или механичку енергију, за шта јој је потребан извор који топлоту даје на високој температури.
У термичким машинама се користи супстанца попут водене паре, ваздуха или горива. Супстанца се подвргава низу термодинамичких трансформација на цикличан начин, тако да машина може да ради непрекидно.
Вежба 2.
Мотор теретног возила производи топлоту у сагоревању сагоревањем бензина. За сваки циклус мотора топлота од 5 кЈ претвара се у 1кЈ механичког рада. Колика је ефикасност мотора? Колико топлоте се ослобађа за сваки циклус мотора? Погледајте слику 13
rešenje:
Да би се одредила ослобођена топлота, претпоставља се да је у термичким машинама нето рад једнак нето преносу топлоте у систем. Погледајте слику 14.
Ентропија:
Ентропија је степен случајности или поремећаја у систему. Ентропија омогућава квантификовање дела енергије који се не може користити за производњу дела, односно омогућава квантификовање неповратности термодинамичког процеса.
Сваки пренос енергије који се догоди повећава ентропију универзума и смањује количину употребљиве енергије доступне за рад. Било који термодинамички процес одвијаће се у смеру који повећава укупну ентропију свемира. Погледајте слику 15.
3. закон термодинамике
Трећи закон термодинамике или Нерстов постулат
Трећи закон термодинамике везан је за температуру и хлађење. Наводи да је ентропија система на апсолутној нули дефинитивна константа. Погледајте слику 16.
Апсолутна нула је најнижа температура испод које више не постоји нижа мера, најхладније је што тело може бити. Апсолутна нула је 0 К, што је еквивалентно -273,15 ºЦ.
Закључак
Постоје четири термодинамичка принципа. У принципу нула утврђено је да се топлотна равнотежа јавља када су два или више тела на истој температури.
Први закон термодинамике бави се очувањем енергије између процеса, док се други закон термодинамике бави усмереношћу од најниже до највише ентропије и ефикасношћу или перформансама топлотних мотора који топлоту претварају у рад.
Трећи закон термодинамике повезан је са температуром и хлађењем, он наводи да је ентропија система на апсолутној нули дефинитивна константа.