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热力学原理

为了轻松理解热力学的广阔而复杂的世界,建议分步骤进行,首先回顾基本术语,介绍热力学原理,然后更深入地研究热力学定律,它们如何用数学表示及其应用。

利用热力学的四个定律(零定律,第一定律,第二定律和第三定律),描述了不同系统之间的能量传递和转换是如何工作的。 是理解自然界许多物理化学现象的基础。

基本概念复习

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热力学简易文章封面

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能量形式

能量是物体通过改变其状况或状态而改变自身的属性,它以多种形式发生,例如 物体的动能,势能和内能。 参见图1。

热力学定律中提供的某些形式的能量。

工作

它是力和位移的乘积,两者都是在同一方向上测量的。 为了计算功,使用了与对象位移平行的力的分力。 功的单位为Nm,焦耳(J),ft.lb-f或BTU。 参见图2。

机械功,我们可以在热力学原理中找到的元素。

热量(Q)

热能在温度不同的两个物体之间的传递,仅在温度降低的意义上发生。 热量以焦耳,BTU,磅英尺或卡路里为单位。 参见图3。

热

热力学原理

零法则-零原则

热力学的零定律指出,如果两个对象A和B彼此处于热平衡,并且对象A与第三个对象C处于平衡,则对象B与对象C处于热平衡。发生热平衡当两个或多个物体处于相同温度时。 见图4。

热力学零定律的例子。

该定律被认为是热力学的基本定律。 1935年被假定为“零定律”,因为它是在热力学第一定律和第二定律产生之后被假定的。

热力学第一定律(能量守恒原理)

热力学第一定律的陈述:

热力学的第一定律,也称为能量守恒原理,规定能量不会产生或破坏,它只会转化为另一种能量,或者是从一个物体转移到另一个物体。 因此,宇宙中的总能量不会改变。

第一定律在“一切”中得到满足,能量不断地传递和转换,例如,在某些电气设备中,例如混合器和搅拌机,电能被转换为机械能和热能,在人体中它们被转换为化学物质。食物在人体运动时被吸收为动能的能量,或其他示例,例如图5所示。

热力学定律中的能量转换示例。

热力学第一定律的方程式:

热力学原理中的第一定律方程表示在给定过程中不同类型的能量之间必须存在的平衡。 因为在封闭系统[1]中,只能通过热传递或通过所做的功(由系统或在系统上)进行能量交换,所以可以确定系统的能量变化等于总和热量通过热量和工作进行传递。 参见图6。

热力学原理解释了封闭系统的能量平衡。

考虑到在此能量平衡中考虑的能量是动能,势能和内部能量[1],封闭系统的能量平衡仍然如图7所示。

  • (Ec) 动能 由于身体的运动;
  • (Ep) 势能 由于物体在重力场中的位置;
  • (U) 内能 , 由于人体内部分子的动能和势能的微观贡献。
封闭系统的能量平衡

练习1

密封的容器中包含一种物质,其初始能量为10 kJ。 用做500 J功的螺旋桨搅拌该物质,同时一个热源将20 kJ的热量传递给该物质。 此外,在此过程中,3kJ的热量释放到了空气中。 确定物质的最终能量。 参见图8。

热力学练习陈述
解决方案:

在图9中,您可以看到由热源添加的热量,由于它增加了物质的能量,因此被认为是“正”的热量,释放到空气中的热量则是负的,因为它减少了物质的能量,并且推进器的工作增加了能量,这是一个积极的信号。

方法-热力学定律的实施

在图10中,根据热力学第一定律给出了能量平衡,并获得了物质的最终能量。

解决方案-热力学练习

热力学第二定律

热力学第二定律有几种说法:普朗克-开尔文,克劳修斯,卡诺特的陈述。 它们每个都显示了第二定律的不同方面。 通常,热力学第二定律假定:

  • 热力学过程的方向,是物理现象的不可逆转。
  • 热机的效率。
  • 输入属性“熵”。

热力学过程的方向:

本质上,能量自发地从最高能量状态流动或转移到最低能量状态。 热量从热的物体流到冷的物体,反之亦然。 参见图11。

热力学定律和原理内的不可逆过程。

效率或热性能:

根据热力学第一定律,能量既不会产生也不会破坏,但可以转化或转移。 但是在所有能量转移或转化中,一定数量的能量对工作没有用。 随着能量的转移或转化,一部分初始能量会以热能的形式释放出来:能量退化,质量下降。

在任何能量转换中,获得的能量总是小于提供的能量。 热效率是指从热源转换成功的热量,即获得的有用能量与转换中提供的能量之间的比率。 见图12。

获得的有用能量与转换中提供的能量之间的关系

热机或热机:

热机是一种将热量部分转换为功或机械能的设备,为此,它需要一个在高温下提供热量的源。

在热力机械中,使用诸如水蒸气,空气或燃料的物质。 物质以周期性方式经历一系列热力学转变,因此机器可以连续工作。

练习2

货车的发动机通过燃烧汽油产生燃烧热。 对于发动机的每个循环,将5 kJ的热量转换为1 kJ的机械功。 电动机的效率是多少? 发动机的每个循环释放多少热量? 见图13

热力学练习
解决方案:
效率计算

为了确定释放的热量,假设热机中的净功等于传递给系统的净热。 见图14。

余热计算

:

熵是系统中随机性或无序性的程度。 熵使得可以量化不能用于产生功的能量部分,即,它可以量化热力学过程的不可逆性。

每次发生的能量转移都会增加宇宙的熵,并减少可用于做功的可用能量。 任何热力学过程都将在增加宇宙总熵的方向上进行。 参见图15。

熵

热力学第三定律

热力学第三定律或能斯特假设

热力学第三定律与温度和冷却有关。 它指出系统的绝对零熵是一个确定的常数。 见图16。

绝对零是最低温度,在该温度以下不再有更低的度量,它是机体所能达到的最冷的温度。 绝对零为0 K,等于-273,15ºC。

热力学第三定律

结论

有四个热力学原理。 按照零原理,可以确定当两个或多个物体处于相同温度时发生热平衡。

热力学的第一定律处理过程之间的能量守恒,而热力学的第二定律处理从最低到最高的熵的方向性,以及将热转化为功的热机的效率或性能。

热力学的第三定律与温度和冷却有关,它指出系统在绝对为零时的熵是一个确定的常数。

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