Termodinamik Prensipler

Termodinamiğin geniş ve karmaşık dünyasını kolay bir şekilde anlamak için, temel terimlerin gözden geçirilmesi, termodinamik ilkelere giriş ve ardından termodinamik yasaların nasıl daha derinlemesine incelenmesiyle adım adım ilerlenmesi önerilir. matematiksel olarak ifade edilir ve uygulamaları.

Termodinamiğin dört kanunu (sıfır kanunu, birinci kanun, ikinci kanun ve üçüncü kanun) ile farklı sistemler arasındaki enerji transferlerinin ve dönüşümlerinin nasıl işlediği anlatılır; doğanın birçok fizikokimyasal fenomenini anlamanın temeli olmak.

Temel kavramların gözden geçirilmesi

Sizi makaleyi görmeye davet ediyoruz TERMODİNAMİK nedir ve uygulamaları

Bu bilgiyi makale ile tamamlayabilirsiniz. Watt Yasasının Gücü (Uygulamalar - Alıştırmalar) Şu an için TAKİP EDİYORUZ ...

Enerji formları

Vücutların, durumlarını veya durumlarını değiştirerek kendilerini dönüştürme özelliği olan enerji, birçok biçimde gelir. kinetik enerji, potansiyel enerji ve cisimlerin iç enerjisi. Şekil 1'e bakınız.

Çalışmak

Her ikisi de aynı yönde ölçülen bir kuvvet ve yer değiştirmenin ürünüdür. İşi hesaplamak için, nesnenin yer değiştirmesine paralel olan kuvvet bileşeni kullanılır. İş, Nm, Joule (J), ft.lb-f veya BTU cinsinden ölçülür. Şekil 2'ye bakınız.

Isı (Q)

Farklı sıcaklıklarda olan iki cisim arasında termal enerji transferi ve bu yalnızca sıcaklığın düşmesi anlamında gerçekleşir. Isı Joule, BTU, pound-feet veya kalori cinsinden ölçülür. Şekil 3'e bakınız.

Termodinamik Prensipler

Sıfır Kanun - Sıfır İlke

Termodinamiğin sıfır yasası, iki nesne, A ve B, birbirleriyle termal dengede ise ve A nesnesi üçüncü bir C nesnesi ile dengede ise, o zaman B nesnesinin C nesnesiyle termal dengede olduğunu belirtir. Termal denge oluşur. iki veya daha fazla vücut aynı sıcaklıkta olduğunda. Şekil 4'e bakınız.

Bu yasa, termodinamiğin temel bir yasası olarak kabul edilir. Termodinamiğin birinci ve ikinci yasalarının yapılmasından sonra kabul edildiği için 1935 yılında "Sıfır Yasası" olarak kabul edildi.

Termodinamiğin 1. Yasası (Enerjinin korunumu ilkesi)

Termodinamiğin Birinci Yasasının Beyanı:

Enerjinin korunumu ilkesi olarak da bilinen termodinamiğin birinci yasası, enerjinin yaratılmadığını veya yok edilmediğini, yalnızca başka bir tür enerjiye dönüştürüldüğünü veya bir nesneden diğerine aktarıldığını belirtir. Böylece evrendeki toplam enerji miktarı değişmez.

Birinci yasa “her şeyde” yerine getirilir, enerji sürekli aktarılır ve dönüştürülür, örneğin mikser ve blender gibi bazı elektrikli cihazlarda elektrik enerjisi mekanik ve termal enerjiye dönüştürülür, insan vücudunda kimyasala dönüştürülür. Vücut hareket halindeyken kinetik enerjiye alınan yiyecek enerjisi veya şekil 5'te gösterilenler gibi diğer örnekler.

Termodinamiğin Birinci Yasasının Denklemi:

Termodinamik ilkelerdeki birinci yasanın denklemi, belirli bir süreçte farklı enerji türleri arasında olması gereken dengeyi ifade eder. Kapalı sistemlerde [1], enerji değişimleri yalnızca ısı transferi ile veya yapılan iş (sistem tarafından veya sistem üzerinde) ile verilebildiğinden, bir sistemin enerji değişiminin toplamına eşit olduğu tespit edilmiştir. ısı ve iş yoluyla enerji transferleri. Şekil 6'ya bakınız.

Bu enerji dengesinde dikkate alınan enerjilerin kinetik enerji, potansiyel enerji ve iç enerji [1] olduğu düşünüldüğünde, kapalı sistemler için enerji dengesi şekil 7'de gösterildiği gibi kalır.

• (E) Kinetik enerji , bir vücudun hareketinden dolayı;
• (ep) Potansiyel enerji, bir cismin yerçekimi alanındaki konumu nedeniyle;
• (VEYA) İçsel enerji , Bir vücudun iç moleküllerinin kinetik ve potansiyel enerjisinin mikroskobik katkılarından dolayı.

1. Egzersiz.

Kapalı bir kap, başlangıç ​​enerjisi 10 kJ olan bir madde içerir. Madde, 500 J çalışan bir pervane ile karıştırılırken, bir ısı kaynağı maddeye 20 kJ ısı aktarır. Ayrıca işlem sırasında havaya 3 kJ ısı salınır. Maddenin nihai enerjisini belirleyin. Şekil 8'e bakınız.

çözüm:

Şekil 9'da, maddenin enerjisini artırdığı için "pozitif" kabul edilen ısı kaynağının kattığı ısıyı, havaya salınan ısıyı, maddenin enerjisini azalttığı için negatif, ve Enerjiyi artıran pervanenin çalışması olumlu bir işaret aldı.

Şekil 10'da termodinamiğin birinci yasasına göre enerji dengesi sunulmakta ve maddenin nihai enerjisi elde edilmektedir.

Termodinamiğin ikinci yasası

Termodinamiğin ikinci yasasının birkaç ifadesi vardır: Planck-Kelvin, Clausius, Carnot'un İfadesi. Her biri ikinci yasanın farklı bir yönünü gösterir. Genel olarak termodinamiğin ikinci yasası şunları varsayar:

• Termodinamik süreçlerin yönü, fiziksel olayların tersinmezliği.
• Termal makinelerin verimliliği.
• "Entropi" özelliğini girin.

Termodinamik süreçlerin yönü:

Doğada kendiliğinden enerji akar veya en yüksek enerji durumundan en düşük enerji durumuna aktarılır. Isı, sıcak cisimlerden soğuk cisimlere akar, tam tersi değil. Şekil 11'e bakınız.

Verimlilik veya termal performans:

Termodinamiğin birinci yasasına göre, enerji ne yaratılır ne de yok edilir, ancak dönüştürülebilir veya aktarılabilir. Ancak tüm enerji transferlerinde veya dönüşümlerinde bir miktar iş yapmak yararlı değildir. Enerji aktarılırken veya dönüştürülürken, ilk enerjinin bir kısmı termal enerji olarak açığa çıkar: enerji azalır, kalitesini kaybeder.

Herhangi bir enerji dönüşümünde, elde edilen enerji miktarı her zaman sağlanan enerjiden daha azdır. Isıl verim, kaynaktan işe dönüştürülen ısı miktarı, elde edilen faydalı enerji ile bir dönüşümde sağlanan enerji arasındaki orandır. Şekil 12'ye bakınız.

Termal Makine veya Isı Makinesi:

Termal makine, ısıyı kısmen iş veya mekanik enerjiye dönüştüren ve bunun için yüksek sıcaklıkta ısı sağlayan bir kaynak gerektiren bir cihazdır.

Termal makinelerde su buharı, hava veya yakıt gibi bir madde kullanılır. Madde, döngüsel bir şekilde bir dizi termodinamik dönüşüme uğrar, böylece makine sürekli çalışabilir.

2. Egzersiz.

Bir kargo aracının motoru, benzin yakarak yanma sırasında ısı üretir. Motorun her devri için, 5 kJ'lik ısı, 1 kJ'lik mekanik işe dönüştürülür. Motorun verimliliği nedir? Motorun her devri için ne kadar ısı açığa çıkar? Şekil 13'e bakınız

çözüm:

Açığa çıkan ısıyı belirlemek için, termal makinelerde net işin sisteme yapılan net ısı transferine eşit olduğu varsayılır. Şekil 14'e bakınız.

Entropi:

Entropi, bir sistemdeki rastlantısallık veya düzensizlik derecesidir. Entropi, enerjinin iş üretmek için kullanılamayan kısmını ölçmeyi, yani termodinamik bir sürecin tersinmezliğini ölçmeyi mümkün kılar.

Meydana gelen her enerji transferi, evrenin entropisini arttırır ve iş yapmak için mevcut olan kullanılabilir enerji miktarını azaltır. Herhangi bir termodinamik süreç, evrenin toplam entropisini artıran bir yönde ilerleyecektir. Şekil 15'e bakınız.

Termodinamiğin 3. Yasası

Termodinamiğin Üçüncü Yasası veya Nerst Postulate

Termodinamiğin üçüncü yasası sıcaklık ve soğutma ile ilgilidir. Mutlak sıfırdaki bir sistemin entropisinin belirli bir sabit olduğunu belirtir. Şekil 16'ya bakın.

Mutlak sıfır, altında artık daha düşük bir ölçü olmayan en düşük sıcaklıktır, bir cismin olabileceği en soğuk sıcaklıktır. Mutlak sıfır 0 K'dir, -273,15 ºC'ye eşdeğerdir.

Sonuç

Dört termodinamik prensip vardır. Sıfır prensibinde, iki veya daha fazla cisim aynı sıcaklıkta olduğunda termal dengenin meydana geldiği tespit edilmiştir.

Termodinamiğin birinci yasası, süreçler arasında enerjinin korunumu ile ilgilenirken, termodinamiğin ikinci yasası, en düşükten en yüksek entropiye yönlülük ve ısıyı işe dönüştüren ısı motorlarının verimliliği veya performansı ile ilgilenir.

Termodinamiğin üçüncü yasası sıcaklık ve soğutma ile ilgilidir, mutlak sıfırdaki bir sistemin entropisinin belirli bir sabit olduğunu belirtir.