Η θερμοδυναμική είναι ένας τομέας της φυσικής που μελετά τις μεταφορές ενέργειας. Επιδιώκει να κατανοήσει τις σχέσεις μεταξύ θερμότητας, ενέργειας και εργασίας, αναλύοντας τις ποσότητες θερμότητας που ανταλλάσσονται και την εργασία που εκτελείται σε μια φυσική διαδικασία.
Η θερμοδυναμική επιστήμη αναπτύχθηκε αρχικά από ερευνητές που αναζητούσαν έναν τρόπο βελτίωσης των μηχανών, κατά την περίοδο της Βιομηχανικής Επανάστασης, βελτιώνοντας την αποτελεσματικότητά τους.
Αυτή η γνώση εφαρμόζεται επί του παρόντος σε διάφορες καταστάσεις της καθημερινής μας ζωής. Για παράδειγμα: θερμικά μηχανήματα και ψυγεία, κινητήρες αυτοκινήτων και διαδικασίες μετατροπής ορυκτών και προϊόντων πετρελαίου.
Νόμοι της Θερμοδυναμικής
Οι θεμελιώδεις νόμοι της θερμοδυναμικής διέπουν τον τρόπο λειτουργίας της θερμότητας και το αντίστροφο.
Πρώτος Νόμος Θερμοδυναμικής
Ο Πρώτος Νόμος Θερμοδυναμικής σχετίζεται με το αρχή της εξοικονόμησης ενέργειας. Αυτό σημαίνει ότι η ενέργεια σε ένα σύστημα δεν μπορεί να καταστραφεί ή να δημιουργηθεί, μόνο να μετασχηματιστεί.
Ο τύπος που αντιπροσωπεύει τον πρώτο νόμο της θερμοδυναμικής έχει ως εξής:
Η ποσότητα θερμότητας, εργασίας και διακύμανσης της εσωτερικής ενέργειας έχουν ως τυπική μονάδα μέτρησης το Joule (J).
Ένα πρακτικό παράδειγμα εξοικονόμησης ενέργειας είναι όταν ένα άτομο χρησιμοποιεί μια αντλία για να διογκώσει ένα φουσκωτό αντικείμενο, χρησιμοποιεί δύναμη για να αντλήσει αέρα στο αντικείμενο. Αυτό σημαίνει ότι η κινητική ενέργεια κάνει το έμβολο να πέσει κάτω. Ωστόσο, ένα μέρος αυτής της ενέργειας μετατρέπεται σε θερμότητα, η οποία χάνεται στο περιβάλλον.
Ο Νόμος του Έσση είναι μια ιδιαίτερη περίπτωση της αρχής της εξοικονόμησης ενέργειας. Μάθετε περισσότερα!
Δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής
Στο μεταφορές θερμότητας συμβαίνουν πάντα από το θερμότερο σώμα έως το πιο κρύο σώμα, συμβαίνει αυθόρμητα, αλλά όχι το αντίστροφο. Δηλαδή ότι οι διαδικασίες μεταφοράς θερμικής ενέργειας είναι μη αναστρέψιμες.
Με αυτόν τον τρόπο, από το Δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής, η θερμότητα δεν μπορεί να μετατραπεί πλήρως σε άλλη μορφή ενέργειας. Για το λόγο αυτό, η θερμότητα θεωρείται μια υποβαθμισμένη μορφή ενέργειας.
Η φυσική ποσότητα που σχετίζεται με τον Δεύτερο Νόμο της Θερμοδυναμικής είναι η εντροπία, που αντιστοιχεί στον βαθμό διαταραχής ενός συστήματος.
Διαβάστε επίσης:
- Κύκλος Carnot
- Θερμική διαστολή
Μηδενικός Θερμοδυναμικός
Ο Μηδενικός Θερμοδυναμικός ασχολείται με τους όρους απόκτησης του θερμική ισορροπία. Μεταξύ αυτών των συνθηκών μπορούμε να αναφέρουμε την επίδραση των υλικών που κάνουν τη θερμική αγωγιμότητα υψηλότερη ή χαμηλότερη.
Σύμφωνα με αυτόν τον νόμο,
- εάν ένα σώμα Α βρίσκεται σε θερμική ισορροπία σε επαφή με το σώμα Β και
- εάν αυτό το σώμα Α βρίσκεται σε θερμική ισορροπία σε επαφή με το σώμα C, τότε
- Το Β βρίσκεται σε θερμική ισορροπία σε επαφή με το C.
Όταν έρχονται σε επαφή δύο σώματα με διαφορετικές θερμοκρασίες, αυτό που είναι πιο ζεστό θα μεταφέρει θερμότητα σε αυτό που είναι πιο κρύο. Αυτό προκαλεί την εξισορρόπηση των θερμοκρασιών στο θερμική ισορροπία.
Ονομάζεται μηδενικός νόμος επειδή η κατανόησή του αποδείχθηκε απαραίτητη για τους δύο πρώτους νόμους που υπήρχαν ήδη, τον πρώτο και τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής.
Τρίτος νόμος της θερμοδυναμικής
Ο Τρίτος νόμος της θερμοδυναμικής Εμφανίζεται ως μια προσπάθεια να δημιουργηθεί ένα απόλυτο σημείο αναφοράς που καθορίζει την εντροπία. Η εντροπία είναι στην πραγματικότητα η βάση του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής.
Ο Walther Nernst, ο φυσικός που το πρότεινε, κατέληξε στο συμπέρασμα ότι δεν ήταν δυνατό για μια καθαρή ουσία με θερμοκρασία μηδέν να έχει εντροπία σε τιμή περίπου μηδέν.
Για αυτόν τον λόγο, είναι ένας αμφιλεγόμενος νόμος, που θεωρείται από πολλούς φυσικούς ως κανόνας και όχι νόμος.
θερμοδυναμικά συστήματα
Σε ένα θερμοδυναμικό σύστημα μπορεί να υπάρχουν ένα ή περισσότερα σώματα που σχετίζονται. Το περιβάλλον που το περιβάλλει και το Σύμπαν αντιπροσωπεύουν το περιβάλλον έξω από το σύστημα. Το σύστημα μπορεί να οριστεί ως: ανοιχτό, κλειστό ή απομονωμένο.
θερμοδυναμικά συστήματα
Όταν το σύστημα ανοίγει, υπάρχει μεταφορά μάζας και ενέργειας μεταξύ του συστήματος και του εξωτερικού περιβάλλοντος. Στο κλειστό σύστημα υπάρχει μόνο μεταφορά ενέργειας (θερμότητα) και όταν είναι απομονωμένη δεν υπάρχει ανταλλαγή.
συμπεριφορά αερίων
Η μικροσκοπική συμπεριφορά των αερίων περιγράφεται και ερμηνεύεται ευκολότερα από ό, τι σε άλλες φυσικές καταστάσεις (υγρό και στερεό). Γι 'αυτό τα αέρια χρησιμοποιούνται περισσότερο σε αυτές τις μελέτες.
Σε θερμοδυναμικές μελέτες χρησιμοποιούνται ιδανικά ή τέλεια αέρια. Είναι ένα μοντέλο στο οποίο τα σωματίδια κινούνται χαοτικά και αλληλεπιδρούν μόνο σε συγκρούσεις. Επιπλέον, θεωρείται ότι αυτές οι συγκρούσεις μεταξύ των σωματιδίων, και μεταξύ αυτών και των τοιχωμάτων του δοχείου, είναι ελαστικές και διαρκούν για πολύ μικρό χρονικό διάστημα.
Σε ένα κλειστό σύστημα, το ιδανικό αέριο προϋποθέτει μια συμπεριφορά που περιλαμβάνει τις ακόλουθες φυσικές ποσότητες: πίεση, όγκος και θερμοκρασία. Αυτές οι μεταβλητές καθορίζουν τη θερμοδυναμική κατάσταση ενός αερίου.
Συμπεριφορά αερίων σύμφωνα με τους νόμους περί φυσικού αερίου
Η πίεση (p) παράγεται από την κίνηση σωματιδίων αερίου μέσα στο δοχείο. Ο χώρος που καταλαμβάνεται από το αέριο μέσα στο δοχείο είναι ο όγκος (v). Και η θερμοκρασία (t) σχετίζεται με τη μέση κινητική ενέργεια των σωματιδίων κινούμενου αερίου.
Διαβάστε επίσης Νόμος για το φυσικό αέριο και Μελέτη αερίων.
εσωτερική ενέργεια
Η εσωτερική ενέργεια ενός συστήματος είναι μια φυσική ποσότητα που βοηθά στη μέτρηση του τρόπου με τον οποίο πραγματοποιούνται οι μετασχηματισμοί ενός αερίου. Αυτό το μέγεθος σχετίζεται με τη διακύμανση της θερμοκρασίας και της κινητικής ενέργειας των σωματιδίων.
Ένα ιδανικό αέριο, αποτελούμενο από έναν μόνο τύπο ατόμου, έχει εσωτερική ενέργεια ανάλογη της θερμοκρασίας του αερίου. Αυτό αντιπροσωπεύεται από τον ακόλουθο τύπο:
Επιλυμένες ασκήσεις θερμοδυναμικής
ερώτηση 1
Ένας κύλινδρος με κινητό έμβολο περιέχει αέριο υπό πίεση 4.0.104Ν / μ2. Όταν 6 kJ θερμότητας παρέχονται στο σύστημα, σε σταθερή πίεση, ο όγκος του αερίου αυξάνεται κατά 1,0.10-1Μ3. Προσδιορίστε την εργασία που έγινε και την αλλαγή της εσωτερικής ενέργειας σε αυτήν την κατάσταση.
Σωστή απάντηση: η εργασία που έγινε είναι 4000 J και η εσωτερική αλλαγή ενέργειας είναι 2000 J.
Δεδομένα:
Π = 4,0.104 Ν / μ2
Ερ = 6KJ ή 6000J
ΔV = 1,0.10-1 Μ3
Τ =? ΔU =?
1ο βήμα: Υπολογίστε την εργασία με τα δεδομένα προβλήματος.
Τ = Π. ΔV
Τ = 4.0.104. 1,0.10-1
Τ = 4000 J
2ο βήμα: Υπολογίστε τη διακύμανση της εσωτερικής ενέργειας με τα νέα δεδομένα.
Q = Τ + ΔU
ΔU = Q - Τ
ΔU = 6000 - 4000
ΔU = 2000J
Επομένως, η εργασία που εκτελείται είναι 4000 J και η εσωτερική αλλαγή ενέργειας είναι 2000 J.
Ερώτηση 2
(Προσαρμοσμένο από το ENEM 2011) Ένας κινητήρας μπορεί να εκτελέσει εργασία μόνο εάν δέχεται ποσότητα ενέργειας από άλλο σύστημα. Σε αυτήν την περίπτωση, η ενέργεια που αποθηκεύεται στο καύσιμο απελευθερώνεται, εν μέρει, κατά τη διάρκεια της καύσης, έτσι ώστε η συσκευή να μπορεί να λειτουργήσει. Όταν ο κινητήρας λειτουργεί, μέρος της ενέργειας που μετατρέπεται ή μετατρέπεται σε καύση δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για εργασία. Αυτό σημαίνει ότι υπάρχει διαρροή ενέργειας σε άλλη μορφή.
Σύμφωνα με το κείμενο, οι μετασχηματισμοί ενέργειας που συμβαίνουν κατά τη λειτουργία του κινητήρα οφείλονται:
α) είναι αδύνατη η απελευθέρωση θερμότητας μέσα στον κινητήρα.
β) η εργασία που εκτελείται από τον κινητήρα είναι ανεξέλεγκτη.
γ) είναι αδύνατη η πλήρης μετατροπή της θερμότητας σε εργασία.
δ) η μετατροπή της θερμικής ενέργειας σε κινητική είναι αδύνατη.
ε) η πιθανή ενεργειακή χρήση του καυσίμου είναι ανεξέλεγκτη.
Σωστή εναλλακτική λύση: γ) η πλήρης μετατροπή της θερμότητας σε εργασία είναι αδύνατη.
Όπως είδαμε νωρίτερα, η θερμότητα δεν μπορεί να μετατραπεί πλήρως σε εργασία. Κατά τη λειτουργία του κινητήρα, μέρος της θερμικής ενέργειας χάνεται, μεταφέρεται στο εξωτερικό περιβάλλον.
Δείτε επίσης: Ασκήσεις Θερμοδυναμικής
