Mga Prinsipyo na Thermodynamic

Upang maunawaan, sa isang madaling paraan, ang malawak at kumplikadong mundo ng Thermodynamics, inirerekumenda na pumunta sa hakbang-hakbang na nagsisimula sa isang pagsusuri ng pangunahing mga termino, isang pagpapakilala sa mga prinsipyong thermodynamic, at pagkatapos ay pag-aralan nang mas malalim ang mga batas na thermodynamic, kung paano sila ay ipinahayag sa matematika at ang mga aplikasyon nito.

Sa apat na batas ng thermodynamics (zero batas, unang batas, pangalawang batas at pangatlong batas), inilalarawan kung paano gumagana ang mga paglilipat at pagbabago ng enerhiya sa pagitan ng iba't ibang mga system; ang batayan para maunawaan ang maraming mga phenomena ng likas na kemikal-kemikal.

Balik-aral sa mga pangunahing konsepto

Inaanyayahan ka naming tingnan ang artikulo THERMODYNAMICS, ano ito at ang mga application nito

Maaari mong dagdagan ang impormasyong ito sa artikulo Ang Kapangyarihan ng Batas ni Watt (Mga Aplikasyon - Ehersisyo) Pansamantala Sinusundan KAMI ...

Mga anyo ng enerhiya

Ang enerhiya, ang pag-aari ng mga katawan upang mabago ang kanilang sarili sa pamamagitan ng pagbabago ng kanilang sitwasyon o estado, ay nagmumula sa maraming anyo, tulad ng lakas na gumagalaw, potensyal na enerhiya at panloob na enerhiya ng mga katawan. Tingnan ang pigura 1.

Magtrabaho

Ito ay produkto ng isang puwersa at pag-aalis, parehong sinusukat sa parehong direksyon. Upang makalkula ang trabaho, ginamit ang bahagi ng puwersa na kahanay ng pag-aalis ng bagay. Sinusukat ang trabaho sa Nm, Joule (J), ft.lb-f, o BTU. Tingnan ang larawan 2.

Init (Q)

Paglipat ng thermal energy sa pagitan ng dalawang katawan na nasa magkakaibang temperatura, at nangyayari lamang ito sa diwa na bumababa ang temperatura. Ang init ay sinusukat sa Joule, BTU, pound-feet, o sa calories. Tingnan ang larawan 3.

Mga Prinsipyo na Thermodynamic

Zero Law - Zero Principle

Ang zero na batas ng thermodynamics ay nagsasaad na kung ang dalawang mga bagay, A at B, ay nasa pantalan na balanse sa bawat isa, at ang bagay A ay nasa balanse na may isang ikatlong bagay na C, kung gayon ang bagay B ay nasa thermal equilibrium na may object C. Ang Thermal equilibrium ay nangyayari kapag ang dalawa o higit pang mga katawan ay nasa parehong temperatura. Tingnan ang pigura 4.

Ang batas na ito ay itinuturing na isang pangunahing batas ng thermodynamics. Naipostulate ito bilang "Zero Law" noong 1935, dahil naipostulate ito matapos gawin ang una at pangalawang batas ng thermodynamics.

Unang Batas ng Thermodynamics (Prinsipyo ng pangangalaga ng enerhiya)

Pahayag ng Unang Batas ng Thermodynamics:

Ang unang batas ng thermodynamics, na kilala rin bilang prinsipyo ng pangangalaga ng enerhiya, ay nagsasaad na ang enerhiya ay hindi nilikha o nawasak, binago lamang ito sa isa pang uri ng enerhiya, o inilipat ito mula sa isang bagay patungo sa isa pa. Sa gayon ang kabuuang halaga ng enerhiya sa uniberso ay hindi nagbabago.

Ang unang batas ay natutupad sa "lahat", ang enerhiya ay inililipat at binago nang tuluy-tuloy, halimbawa, sa ilang mga kagamitang de-kuryente, tulad ng mga panghalo at blender, ang enerhiya na elektrikal ay binago sa mekanikal at thermal na enerhiya, sa katawan ng tao binago ang kemikal. enerhiya ng pagkain na na-inghes sa lakas na gumagalaw kapag ang katawan ay gumalaw, o iba pang mga halimbawa tulad ng ipinakita sa pigura 5.

Equation ng Unang Batas ng Thermodynamics:

Ang equation ng unang batas sa loob ng mga prinsipyong thermodynamic ay nagpapahiwatig ng balanse na dapat na mayroon sa pagitan ng iba't ibang mga uri ng enerhiya sa isang naibigay na proseso. Dahil, sa mga closed system [1], ang mga pagpapalitan ng enerhiya ay maaaring ibigay lamang sa pamamagitan ng paglipat ng init, o ng gawaing ginawa (ng o sa system), itinatag na ang pagkakaiba-iba ng enerhiya ng isang system ay katumbas ng kabuuan ng paglipat ng enerhiya sa pamamagitan ng init at sa pamamagitan ng trabaho. Tingnan ang larawan 6.

Isinasaalang-alang na ang mga energies na isinasaalang-alang sa balanse ng enerhiya na ito ay lakas na gumagalaw, potensyal na enerhiya at panloob na enerhiya [1], ang balanse ng enerhiya para sa mga saradong system ay nananatili tulad ng ipinakita sa pigura 7.

• (ec) Kinetic energy, dahil sa paggalaw ng isang katawan;
• (ep) Potensyal na enerhiya, dahil sa posisyon ng isang katawan sa isang gravitational field;
• (O) Panloob na enerhiya, dahil sa mga microscopic na kontribusyon ng kinetic at potensyal na enerhiya ng panloob na mga molekula ng isang katawan.

Mag-ehersisyo 1.

Ang isang selyadong lalagyan ay naglalaman ng isang sangkap, na may paunang lakas na 10 kJ. Ang sangkap ay hinalo ng isang propeller na gumagawa ng 500 J na trabaho, habang ang isang mapagkukunan ng init ay naglilipat ng 20 kJ ng init sa sangkap. Bilang karagdagan, ang 3kJ ng init ay inilabas sa hangin sa panahon ng proseso. Tukuyin ang pangwakas na enerhiya ng sangkap. Tingnan ang pigura 8.

Solusyon:

Sa pigura 9 maaari mong makita ang init na idinagdag ng pinagmulan ng init, na itinuturing na "positibo" dahil pinapataas nito ang enerhiya ng sangkap, ang init na inilabas sa hangin, negatibo dahil binabawasan nito ang enerhiya ng sangkap, at ang gawain ng tagabunsod, na kung saan nadagdagan ang enerhiya kinuha ng isang positibong pag-sign.

Sa pigura 10 ay ipinakita ang balanse ng enerhiya, alinsunod sa unang batas ng thermodynamics at ang huling enerhiya ng sangkap ay nakuha.

Pangalawang batas ng thermodynamics

Mayroong maraming mga pahayag ng pangalawang batas ng thermodynamics: Pahayag ng Planck-Kelvin, Clausius, Carnot. Ang bawat isa sa kanila ay nagpapakita ng iba't ibang aspeto ng pangalawang batas. Sa pangkalahatan ang pangalawang batas ng thermodynamics ay nagpapalagay:

• Ang direksyon ng mga proseso ng thermodynamic, hindi maibabalik ang pisikal na mga phenomena.
• Ang kahusayan ng mga thermal machine.
• Ipasok ang "entropy" ng pag-aari.

Direksyon ng mga proseso ng thermodynamic:

Kusang sa likas na katangian, dumadaloy ang enerhiya o inililipat mula sa pinakamataas na estado ng enerhiya patungo sa pinakamababang estado ng enerhiya. Ang init ay dumadaloy mula sa maiinit na katawan patungo sa malamig na katawan at hindi sa ibang paraan. Tingnan ang pigura 11.

Kahusayan o thermal na pagganap:

Ayon sa unang batas ng thermodynamics, ang enerhiya ay hindi nilikha o nawasak, ngunit maaari itong mabago o mailipat. Ngunit sa lahat ng paglilipat o pagbabago ng enerhiya isang halaga nito ay hindi kapaki-pakinabang upang magtrabaho. Habang ang enerhiya ay inilipat o nabago, ang bahagi ng paunang enerhiya ay inilabas bilang thermal energy: ang degrades ng enerhiya, nawawalan ng kalidad.

Sa anumang pagbabago ng enerhiya, ang dami ng nakuha na enerhiya ay palaging mas mababa sa ibinigay na enerhiya. Ang kahusayan ng termal ay ang halaga ng init mula sa mapagkukunan na na-convert sa trabaho, ang ratio sa pagitan ng kapaki-pakinabang na enerhiya na nakuha at ang enerhiya na ibinibigay sa isang pagbabago. Tingnan ang pigura 12.

Thermal Machine o Heat Machine:

Ang thermal machine ay isang aparato na bahagyang nag-convert ng init sa trabaho o lakas na mekanikal, kung saan nangangailangan ito ng isang mapagkukunan na nagbibigay ng init sa mataas na temperatura.

Sa mga thermal machine isang sangkap tulad ng singaw ng tubig, hangin o gasolina ang ginagamit. Ang sangkap ay sumasailalim sa isang serye ng mga thermodynamic transformation sa isang paikot na paraan, upang ang makina ay maaaring magpatakbo ng tuloy-tuloy.

Mag-ehersisyo 2.

Ang makina ng isang sasakyang pang-kargamento ay gumagawa ng init sa pagkasunog sa pamamagitan ng pagsunog ng gasolina. Para sa bawat ikot ng makina, ang init ng 5 kJ ay ginawang 1kJ ng gawaing mekanikal. Ano ang kahusayan ng motor? Gaano karaming init ang pinakawalan para sa bawat ikot ng engine? Tingnan ang pigura 13

Solusyon:

Upang matukoy ang init na inilabas, ipinapalagay na sa mga thermal machine ang net work ay katumbas ng net heat transfer sa system. Tingnan ang pigura 14.

Entropy:

Ang Entropy ay ang antas ng pagiging random o karamdaman sa isang system. Ginagawa ng Entropy na posible upang mabilang ang bahagi ng enerhiya na hindi maaaring magamit upang makabuo ng trabaho, iyon ay, ginagawang posible upang mabilang ang hindi maibabalik na proseso ng isang thermodynamic.

Ang bawat paglipat ng enerhiya na nagaganap ay nagdaragdag ng entropy ng uniberso at binabawasan ang dami ng magagamit na enerhiya na magagamit upang magtrabaho. Ang anumang proseso ng thermodynamic ay magpapatuloy sa isang direksyon na nagdaragdag ng kabuuang entropy ng uniberso. Tingnan ang pigura 15.

Ika-3 Batas ng Thermodynamics

Pangatlong Batas ng Thermodynamics o Nerst Postulate

Ang pangatlong batas ng thermodynamics ay nauugnay sa temperatura at paglamig. Nakasaad dito na ang entropy ng isang system sa ganap na zero ay isang tiyak na pare-pareho. Tingnan ang pigura 16.

Ang ganap na zero ay ang pinakamababang temperatura sa ibaba kung saan wala na ang isang mas mababang sukat, ito ang pinakamalamig na maaaring maging isang katawan. Ang ganap na zero ay 0 K, katumbas ng -273,15 ºC.

Konklusyon

Mayroong apat na mga prinsipyong thermodynamic. Sa zero na prinsipyo naitaguyod na ang thermal equilibrium ay nangyayari kapag ang dalawa o higit pang mga katawan ay nasa parehong temperatura.

Ang unang batas ng thermodynamics ay nakikipag-usap sa pag-iingat ng enerhiya sa pagitan ng mga proseso, habang ang pangalawang batas ng thermodynamics ay nakikipag-usap sa direksyon mula sa pinakamababa hanggang sa pinakamataas na entropy, at ang kahusayan o pagganap ng mga heat engine na binago ang init sa trabaho.

Ang pangatlong batas ng thermodynamics ay nauugnay sa temperatura at paglamig, nakasaad dito na ang entropy ng isang sistema sa ganap na zero ay isang tiyak na pare-pareho.