Nguyên lý nhiệt động lực học
Để hiểu một cách dễ hiểu, thế giới rộng lớn và phức tạp của Nhiệt động lực học, chúng ta nên đi từng bước bắt đầu bằng việc xem xét các thuật ngữ cơ bản, giới thiệu các nguyên lý nhiệt động lực học, sau đó nghiên cứu sâu hơn về các định luật nhiệt động lực học, cách chúng được thể hiện bằng toán học. và các ứng dụng của nó.
Với bốn định luật của nhiệt động lực học (định luật không, định luật thứ nhất, định luật thứ hai và định luật thứ ba), nó được mô tả cách thức hoạt động của sự truyền và biến đổi năng lượng giữa các hệ thống khác nhau; là cơ sở để hiểu biết nhiều hiện tượng vật lý - hóa học của tự nhiên.
Xem lại các khái niệm cơ bản
Mời các bạn xem bài viết THERMODYNAMICS, nó là gì và các ứng dụng của nó
Bạn có thể bổ sung thông tin này bằng bài viết Sức mạnh của định luật Watt (Ứng dụng - Bài tập) Trong thời gian này CHÚNG TÔI THEO DÕI ...
Các dạng năng lượng
Năng lượng, thuộc tính của các cơ thể để tự biến đổi bằng cách thay đổi hoàn cảnh hoặc trạng thái của chúng, có nhiều dạng, chẳng hạn như động năng, thế năng và nội năng của các vật. Xem hình 1.
Làm việc
Nó là sản phẩm của lực và độ dời, cả hai đều được đo theo cùng một hướng. Để tính công, người ta dùng thành phần của lực song song với độ dời của vật. Công được đo bằng Nm, Joule (J), ft.lb-f hoặc BTU. Xem hình 2.
Nhiệt (Q)
Sự truyền nhiệt năng giữa hai vật có nhiệt độ khác nhau và nó chỉ xảy ra khi nhiệt độ giảm. Nhiệt được đo bằng Joule, BTU, pound-foot hoặc calo. Xem hình 3.
Nguyên lý nhiệt động lực học
Luật số không - Nguyên tắc số không
Định luật 4 của nhiệt động lực học phát biểu rằng nếu hai vật A và B cân bằng nhiệt với nhau và vật A cân bằng với vật thứ ba C thì vật B cân bằng nhiệt với vật C. khi hai hay nhiều vật ở cùng nhiệt độ. Xem hình XNUMX.
Định luật này được coi là một định luật cơ bản của nhiệt động lực học. Nó được công nhận là "Định luật 1935", vào năm XNUMX, vì nó được công nhận sau khi định luật thứ nhất và thứ hai của nhiệt động lực học được tạo ra.
Định luật nhiệt động lực học thứ nhất (Nguyên lý bảo toàn năng lượng)
Phát biểu định luật đầu tiên của nhiệt động lực học:
Định luật đầu tiên của nhiệt động lực học, còn được gọi là nguyên tắc bảo toàn năng lượng, nói rằng năng lượng không được tạo ra hoặc bị phá hủy, nó chỉ được chuyển hóa thành một dạng năng lượng khác, hoặc nó được truyền từ vật này sang vật khác. Như vậy tổng năng lượng trong vũ trụ không thay đổi.
Định luật đầu tiên được hoàn thành trong “mọi thứ”, năng lượng được truyền và biến đổi liên tục, ví dụ, trong một số thiết bị điện, chẳng hạn như máy trộn và máy xay sinh tố, năng lượng điện được chuyển thành năng lượng cơ học và nhiệt năng, trong cơ thể con người chúng được biến đổi hóa học. năng lượng của thức ăn được chuyển hóa thành động năng khi cơ thể chuyển động hoặc các ví dụ khác như hình 5.
Phương trình của Định luật Nhiệt động lực học đầu tiên:
Phương trình của định luật thứ nhất trong các nguyên lý nhiệt động lực học biểu thị sự cân bằng phải tồn tại giữa các dạng năng lượng khác nhau trong một quá trình nhất định. Vì, trong các hệ thống kín [1], trao đổi năng lượng chỉ có thể được trao bằng cách truyền nhiệt, hoặc bởi công được thực hiện (bởi hoặc trên hệ thống), nên nó được thiết lập rằng sự biến đổi năng lượng của một hệ thống bằng tổng năng lượng. truyền nhiệt và truyền qua công. Xem hình 6.
Coi các năng lượng được xét trong cân bằng năng lượng này là động năng, thế năng và nội năng [1], cân bằng năng lượng đối với hệ kín vẫn như hình 7.
- (NS) Động năng , do chuyển động của một cơ thể;
- (Tập) Năng lượng tiềm năng, do vị trí của một cơ thể trong trường hấp dẫn;
- (HOẶC LÀ) Nội năng, do sự đóng góp rất nhỏ của động năng và thế năng của các phân tử bên trong vật thể.
Bài tập 1
Một bình kín chứa một chất, có năng lượng ban đầu là 10 kJ. Chất được khuấy bằng cánh quạt có công 500 J, đồng thời một nguồn nhiệt truyền nhiệt lượng 20 kJ cho chất. Ngoài ra, nhiệt lượng 3kJ được giải phóng vào không khí trong quá trình này. Xác định năng lượng cuối cùng của chất đó. Xem hình 8.
Giải pháp:
Trong hình 9, bạn có thể thấy nhiệt do nguồn nhiệt thêm vào, được coi là "dương" vì nó làm tăng năng lượng của chất, nhiệt tỏa vào không khí, âm vì nó làm giảm năng lượng của chất, và công việc của cánh quạt, làm tăng năng lượng có một dấu hiệu tích cực.
Trong hình 10, sự cân bằng năng lượng được trình bày, theo định luật đầu tiên của nhiệt động lực học và năng lượng cuối cùng của chất nhận được.
Định luật thứ hai của nhiệt động lực học
Có một số phát biểu về định luật thứ hai của nhiệt động lực học: Phát biểu của Planck-Kelvin, Clausius, Carnot. Mỗi người trong số họ cho thấy một khía cạnh khác nhau của luật thứ hai. Nói chung, định luật thứ hai của nhiệt động lực học đưa ra định đề:
- Chiều của các quá trình nhiệt động, tính không thuận nghịch của các hiện tượng vật lý.
- Hiệu suất của máy nhiệt.
- Nhập thuộc tính "entropy".
Chiều của các quá trình nhiệt động lực học:
Trong tự nhiên, năng lượng chảy hoặc chuyển từ trạng thái năng lượng cao nhất sang trạng thái năng lượng thấp nhất một cách tự phát. Nhiệt truyền từ vật nóng sang vật lạnh chứ không phải ngược lại. Xem hình 11.
Hiệu suất hoặc hiệu suất nhiệt:
Theo định luật đầu tiên của nhiệt động lực học, năng lượng không được tạo ra cũng không bị phá hủy, nhưng nó có thể được chuyển hóa hoặc chuyển giao. Nhưng trong tất cả các quá trình truyền hoặc biến đổi năng lượng, một lượng năng lượng không hữu ích để thực hiện công việc. Khi năng lượng được truyền hoặc biến đổi, một phần năng lượng ban đầu được giải phóng dưới dạng nhiệt năng: năng lượng bị suy giảm, mất chất lượng.
Trong bất kỳ sự biến đổi năng lượng nào, phần năng lượng thu được luôn nhỏ hơn phần năng lượng được cung cấp. Hiệu suất nhiệt là nhiệt lượng từ nguồn được chuyển thành công, là tỷ số giữa năng lượng hữu ích thu được và năng lượng cung cấp trong một quá trình biến đổi. Xem hình 12.
Máy nhiệt hoặc Máy nhiệt:
Máy nhiệt là một thiết bị biến đổi một phần nhiệt năng thành cơ năng hoặc cơ năng, đối với điều này thì nó cần một nguồn cung cấp nhiệt ở nhiệt độ cao.
Trong máy nhiệt, một chất như hơi nước, không khí hoặc nhiên liệu được sử dụng. Môi chất trải qua quá trình biến đổi nhiệt động một cách tuần hoàn nên máy có thể hoạt động liên tục.
Bài tập 2
Động cơ của xe chở hàng sinh ra nhiệt khi đốt cháy xăng. Với mỗi chu kỳ của động cơ, nhiệt lượng 5 kJ chuyển thành 1kJ công cơ học. Hiệu suất của động cơ là bao nhiêu? Nhiệt lượng toả ra trong mỗi chu kỳ của động cơ là bao nhiêu? Xem hình 13
Giải pháp:
Để xác định nhiệt lượng tỏa ra, người ta giả thiết rằng trong máy nhiệt, công thực của công bằng lượng truyền nhiệt thuần cho hệ. Xem hình 14.
Sự hỗn loạn:
Entropy là mức độ ngẫu nhiên hoặc rối loạn trong một hệ thống. Entropy cho phép định lượng phần năng lượng không thể sử dụng để tạo ra công, tức là nó cho phép định lượng tính không thuận nghịch của một quá trình nhiệt động lực học.
Mỗi sự chuyển giao năng lượng xảy ra sẽ làm tăng entropy của vũ trụ và giảm lượng năng lượng có thể sử dụng được để thực hiện công việc. Bất kỳ quá trình nhiệt động học nào cũng sẽ tiến hành theo hướng làm tăng tổng entropy của vũ trụ. Xem hình 15.
Định luật nhiệt động lực học thứ 3
Định luật thứ ba của nhiệt động lực học hoặc định đề Nerst
Định luật thứ ba của nhiệt động lực học liên quan đến nhiệt độ và sự lạnh đi. Nó nói rằng entropy của một hệ thống ở độ không tuyệt đối là một hằng số xác định. Xem hình 16.
Độ không tuyệt đối là nhiệt độ thấp nhất mà dưới đó không còn thước đo nào thấp hơn được, là nhiệt độ lạnh nhất mà một cơ thể có thể đạt được. Độ không tuyệt đối là 0 K, tương đương với -273,15 ºC.
Kết luận
Có bốn nguyên lý nhiệt động lực học. Trong nguyên tắc số không, người ta thiết lập cân bằng nhiệt khi hai hoặc nhiều vật ở cùng một nhiệt độ.
Định luật đầu tiên của nhiệt động lực học đề cập đến sự bảo toàn năng lượng giữa các quá trình, trong khi định luật thứ hai về nhiệt động lực học đề cập đến hướng từ entropi thấp nhất đến cao nhất, và hiệu suất hoặc hiệu suất của động cơ nhiệt biến nhiệt thành công.
Định luật thứ ba của nhiệt động lực học liên quan đến nhiệt độ và sự lạnh đi, nó phát biểu rằng entropy của một hệ ở độ không tuyệt đối là một hằng số xác định.