หลักการทางอุณหพลศาสตร์

เพื่อให้เข้าใจโดยง่ายในโลกที่กว้างและซับซ้อนของอุณหพลศาสตร์ขอแนะนำให้ทำทีละขั้นตอนโดยเริ่มจากการทบทวนคำศัพท์พื้นฐานบทนำเกี่ยวกับหลักการทางอุณหพลศาสตร์จากนั้นศึกษาในเชิงลึกมากขึ้นเกี่ยวกับกฎอุณหพลศาสตร์ แสดงทางคณิตศาสตร์และการใช้งาน

ด้วยกฎสี่ประการของอุณหพลศาสตร์ (กฎศูนย์กฎข้อที่หนึ่งกฎข้อที่สองและกฎข้อที่สาม) อธิบายว่าการถ่ายโอนและการเปลี่ยนแปลงของพลังงานระหว่างระบบต่างๆทำงานอย่างไร เป็นพื้นฐานในการทำความเข้าใจปรากฏการณ์ทางกายภาพ - เคมีของธรรมชาติ

ทบทวนแนวคิดพื้นฐาน

เราขอเชิญคุณดูบทความ THERMODYNAMICS คืออะไรและการใช้งาน

คุณสามารถเติมเต็มข้อมูลนี้ด้วยบทความ อำนาจของกฎของวัตต์ (การใช้งาน - แบบฝึกหัด) ในขณะ เราปฏิบัติตาม ...

รูปแบบของพลังงาน

พลังงานสมบัติของร่างกายในการเปลี่ยนแปลงตัวเองโดยการปรับเปลี่ยนสถานการณ์หรือสถานะของมันเกิดขึ้นได้หลายรูปแบบเช่น พลังงานจลน์พลังงานศักย์และพลังงานภายในของร่างกาย ดูรูปที่ 1

ทำงาน

มันเป็นผลคูณของแรงและการกระจัดซึ่งทั้งสองวัดในทิศทางเดียวกัน ในการคำนวณงานจะใช้ส่วนประกอบของแรงที่ขนานกับการกระจัดของวัตถุ งานมีหน่วยวัดเป็น Nm, Joule (J), ft.lb-f หรือ BTU ดูรูปที่ 2

ความร้อน (Q)

การถ่ายโอนพลังงานความร้อนระหว่างวัตถุสองชิ้นที่อุณหภูมิต่างกันและเกิดขึ้นในกรณีที่อุณหภูมิลดลงเท่านั้น ความร้อนวัดเป็นจูลบีทียูปอนด์ฟุตหรือแคลอรี่ ดูรูปที่ 3

หลักการทางอุณหพลศาสตร์

Zero Law - Zero Principle

กฎศูนย์ของอุณหพลศาสตร์ระบุว่าถ้าวัตถุสองชิ้น A และ B อยู่ในสภาวะสมดุลทางความร้อนซึ่งกันและกันและวัตถุ A อยู่ในสภาวะสมดุลกับวัตถุที่สาม C ดังนั้นวัตถุ B จะอยู่ในสมดุลทางความร้อนกับวัตถุ C จะเกิดสมดุลทางความร้อน เมื่อร่างกายสองตัวขึ้นไปมีอุณหภูมิเท่ากัน ดูรูปที่ 4

กฎนี้ถือเป็นกฎพื้นฐานของอุณหพลศาสตร์ มันถูกตั้งสมมติฐานว่าเป็น "Zero Law" ในปี 1935 เนื่องจากถูกตั้งสมมติฐานหลังจากที่มีการสร้างกฎข้อที่หนึ่งและสองของอุณหพลศาสตร์

กฎข้อที่ 1 ของอุณหพลศาสตร์ (หลักการอนุรักษ์พลังงาน)

คำแถลงของกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์:

กฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์หรือที่เรียกว่าหลักการอนุรักษ์พลังงานระบุว่าพลังงานไม่ได้ถูกสร้างขึ้นหรือถูกทำลาย แต่จะถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานประเภทอื่นเท่านั้นหรือถูกถ่ายโอนจากวัตถุหนึ่งไปยังอีก ดังนั้นปริมาณพลังงานทั้งหมดในจักรวาลจึงไม่เปลี่ยนแปลง

กฎข้อแรกเป็นจริงใน“ ทุกอย่าง” พลังงานจะถูกถ่ายเทและเปลี่ยนรูปอย่างต่อเนื่องเช่นในอุปกรณ์ไฟฟ้าบางอย่างเช่นเครื่องผสมและเครื่องปั่นพลังงานไฟฟ้าจะเปลี่ยนเป็นพลังงานกลและพลังงานความร้อนในร่างกายมนุษย์พวกมันจะเปลี่ยนรูปเคมี พลังงานของอาหารที่กินเข้าไปเป็นพลังงานจลน์เมื่อร่างกายเคลื่อนไหวหรือตัวอย่างอื่น ๆ เช่นที่แสดงในรูปที่ 5

สมการของกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์:

สมการของกฎข้อแรกภายในหลักการทางอุณหพลศาสตร์เป็นการแสดงออกถึงความสมดุลที่ต้องมีอยู่ระหว่างพลังงานประเภทต่างๆในกระบวนการที่กำหนด เนื่องจากในระบบปิด [1] การแลกเปลี่ยนพลังงานสามารถทำได้โดยการถ่ายเทความร้อนหรือโดยงานที่ทำ (โดยหรือในระบบ) จึงเป็นที่ยอมรับว่าการแปรผันพลังงานของระบบเท่ากับผลรวมของพลังงาน ถ่ายเทผ่านความร้อนและผ่านการทำงาน ดูรูปที่ 6

เมื่อพิจารณาว่าพลังงานที่พิจารณาในสมดุลพลังงานนี้เป็นพลังงานจลน์พลังงานศักย์และพลังงานภายใน [1] ความสมดุลของพลังงานสำหรับระบบปิดยังคงอยู่ดังแสดงในรูปที่ 7

• (อีซี) พลังงานจลน์ , เนื่องจากการเคลื่อนไหวของร่างกาย
• (ตอนที่) พลังงานที่มีศักยภาพ เนื่องจากตำแหน่งของร่างกายในสนามโน้มถ่วง
• (หรือ) กำลังภายใน , เนื่องจากการมีส่วนร่วมด้วยกล้องจุลทรรศน์ของพลังงานจลน์และพลังงานศักย์ของโมเลกุลภายในของร่างกาย

แบบฝึกหัดที่ 1

ภาชนะที่ปิดสนิทประกอบด้วยสารที่มีพลังงานเริ่มต้น 10 kJ สารถูกกวนด้วยใบพัดที่ทำงานได้ 500 J ในขณะที่แหล่งความร้อนจะถ่ายเทความร้อน 20 กิโลจูลไปยังสาร นอกจากนี้ความร้อน 3kJ จะถูกปล่อยออกสู่อากาศในระหว่างกระบวนการ กำหนดพลังงานสุดท้ายของสาร ดูรูปที่ 8

วิธีการแก้ปัญหา:

ในรูปที่ 9 คุณจะเห็นความร้อนที่เพิ่มขึ้นโดยแหล่งความร้อนซึ่งถือว่าเป็น "บวก" เนื่องจากจะเพิ่มพลังงานของสารความร้อนที่ปล่อยออกสู่อากาศเป็นลบเนื่องจากมันจะลดพลังงานของสารและ การทำงานของใบพัดซึ่งเพิ่มพลังงานเป็นสัญญาณบวก

ในรูปที่ 10 ความสมดุลของพลังงานจะถูกนำเสนอตามกฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์และได้รับพลังงานสุดท้ายของสาร

กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์

มีข้อความหลายประการเกี่ยวกับกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์: คำแถลงของพลังค์ - เคลวิน, Clausius, คาร์โนต์ แต่ละคนแสดงให้เห็นแง่มุมที่แตกต่างกันของกฎข้อที่สอง โดยทั่วไปกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์สมมุติฐาน:

• ทิศทางของกระบวนการทางอุณหพลศาสตร์ไม่สามารถย้อนกลับได้ของปรากฏการณ์ทางกายภาพ
• ประสิทธิภาพของเครื่องระบายความร้อน
• ป้อนคุณสมบัติ "เอนโทรปี"

ทิศทางของกระบวนการทางอุณหพลศาสตร์:

โดยธรรมชาติแล้วพลังงานจะไหลหรือถูกถ่ายโอนจากสถานะพลังงานสูงสุดไปสู่สถานะพลังงานต่ำสุด ความร้อนไหลจากร่างกายที่ร้อนไปสู่ร่างกายที่เย็นไม่ใช่ในทางกลับกัน ดูรูปที่ 11

ประสิทธิภาพหรือประสิทธิภาพการระบายความร้อน:

ตามกฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์พลังงานไม่ได้ถูกสร้างขึ้นหรือถูกทำลาย แต่สามารถเปลี่ยนรูปหรือถ่ายโอนได้ แต่ในการถ่ายโอนพลังงานหรือการเปลี่ยนรูปทั้งหมดก็ไม่มีประโยชน์ในการทำงาน เมื่อพลังงานถูกถ่ายโอนหรือเปลี่ยนรูปพลังงานเริ่มต้นส่วนหนึ่งจะถูกปล่อยออกมาเป็นพลังงานความร้อน: พลังงานจะย่อยสลายสูญเสียคุณภาพ

ในการเปลี่ยนแปลงพลังงานใด ๆ ปริมาณพลังงานที่ได้รับจะน้อยกว่าพลังงานที่ให้มาเสมอ ประสิทธิภาพเชิงความร้อนคือปริมาณความร้อนจากแหล่งที่ถูกแปลงเป็นงานอัตราส่วนระหว่างพลังงานที่มีประโยชน์ที่ได้รับและพลังงานที่จ่ายให้ในการเปลี่ยนแปลง ดูรูปที่ 12

เครื่องระบายความร้อนหรือเครื่องทำความร้อน:

เครื่องยนต์ความร้อนเป็นอุปกรณ์ที่แปลงความร้อนเป็นงานหรือพลังงานกลบางส่วนซึ่งต้องใช้แหล่งที่ให้ความร้อนที่อุณหภูมิสูง

ในเครื่องระบายความร้อนจะใช้สารเช่นไอน้ำอากาศหรือเชื้อเพลิง สารนี้ได้รับการเปลี่ยนแปลงทางอุณหพลศาสตร์แบบหนึ่งเป็นวัฏจักรเพื่อให้เครื่องสามารถทำงานได้อย่างต่อเนื่อง

แบบฝึกหัดที่ 2

เครื่องยนต์ของรถบรรทุกผลิตความร้อนในการเผาไหม้โดยการเผาไหม้น้ำมันเบนซิน สำหรับแต่ละรอบของเครื่องยนต์ความร้อน 5 kJ จะถูกแปลงเป็น 1kJ ของงานทางกล ประสิทธิภาพของมอเตอร์คืออะไร? แต่ละรอบของเครื่องยนต์ปล่อยความร้อนออกมาเท่าไหร่ ดูรูปที่ 13

วิธีการแก้ปัญหา:

ในการตรวจสอบความร้อนที่ปล่อยออกมาสันนิษฐานว่าในเครื่องระบายความร้อนงานสุทธิจะเท่ากับการถ่ายเทความร้อนสุทธิไปยังระบบ ดูรูปที่ 14

เอนโทรปี:

เอนโทรปีคือระดับของความสุ่มหรือความผิดปกติในระบบ เอนโทรปีทำให้สามารถหาปริมาณส่วนของพลังงานที่ไม่สามารถใช้ในการผลิตผลงานได้นั่นคือมันช่วยให้สามารถหาปริมาณที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ของกระบวนการทางอุณหพลศาสตร์

การถ่ายโอนพลังงานแต่ละครั้งที่เกิดขึ้นจะเพิ่มเอนโทรปีของจักรวาลและลดปริมาณพลังงานที่ใช้งานได้ที่มีอยู่ในการทำงาน กระบวนการทางอุณหพลศาสตร์ใด ๆ จะดำเนินไปในทิศทางที่เพิ่มเอนโทรปีทั้งหมดของจักรวาล ดูรูปที่ 15

กฎข้อที่ 3 ของอุณหพลศาสตร์

กฎข้อที่สามของอุณหพลศาสตร์หรือ Nerst Postulate

กฎข้อที่สามของอุณหพลศาสตร์เกี่ยวข้องกับอุณหภูมิและความเย็น ระบุว่าเอนโทรปีของระบบที่ศูนย์สัมบูรณ์เป็นค่าคงที่แน่นอน ดูรูปที่ 16

ศูนย์สัมบูรณ์คืออุณหภูมิต่ำสุดด้านล่างซึ่งไม่มีการวัดที่ต่ำกว่าอีกต่อไปเป็นอุณหภูมิที่เย็นที่สุดที่ร่างกายสามารถเป็นได้ ศูนย์สัมบูรณ์คือ 0 K เทียบเท่ากับ -273,15 ºC

ข้อสรุป

มีหลักการทางอุณหพลศาสตร์สี่ประการ ในหลักการศูนย์เป็นที่ยอมรับว่าสมดุลทางความร้อนเกิดขึ้นเมื่อร่างกายสองตัวขึ้นไปอยู่ที่อุณหภูมิเดียวกัน

กฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์เกี่ยวข้องกับการอนุรักษ์พลังงานระหว่างกระบวนการในขณะที่กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์เกี่ยวข้องกับทิศทางจากเอนโทรปีต่ำสุดไปสูงสุดและประสิทธิภาพหรือสมรรถนะของเครื่องยนต์ความร้อนที่เปลี่ยนความร้อนให้เป็นงาน

กฎข้อที่สามของอุณหพลศาสตร์เกี่ยวข้องกับอุณหภูมิและความเย็นกล่าวว่าเอนโทรปีของระบบที่ศูนย์สัมบูรณ์เป็นค่าคงที่แน่นอน