Thermodynamica is een gebied van de natuurkunde dat energieoverdrachten bestudeert. Het probeert de relaties tussen warmte, energie en werk te begrijpen, de hoeveelheden warmte die worden uitgewisseld en het werk dat in een fysiek proces wordt uitgevoerd, te analyseren.
Thermodynamische wetenschap werd aanvankelijk ontwikkeld door onderzoekers die in de periode van de industriële revolutie op zoek waren naar een manier om machines te verbeteren en hun efficiëntie te verbeteren.
Deze kennis wordt momenteel toegepast in verschillende situaties van ons dagelijks leven. Bijvoorbeeld: thermische machines en koelkasten, automotoren en processen voor het omzetten van mineralen en aardolieproducten.
Wetten van de thermodynamica
De fundamentele wetten van de thermodynamica bepalen hoe warmte werk wordt en vice versa.
Eerste wet van de thermodynamica
DE Eerste wet van de thermodynamica heeft betrekking op de principe van energiebesparing. Dit betekent dat energie in een systeem niet kan worden vernietigd of gecreëerd, maar alleen kan worden getransformeerd.
De formule die de eerste wet van de thermodynamica vertegenwoordigt, is als volgt:
De hoeveelheid warmte, arbeid en variatie van interne energie hebben als standaard maateenheid de Joule (J).
Een praktisch voorbeeld van energiebesparing is dat wanneer een persoon een pomp gebruikt om een opblaasbaar object op te blazen, hij kracht gebruikt om lucht in het object te pompen. Dit betekent dat kinetische energie ervoor zorgt dat de zuiger naar beneden gaat. Een deel van deze energie wordt echter omgezet in warmte, die verloren gaat aan het milieu.
DE Wet van Hess is een bijzonder geval van het principe van energiebesparing. Meer weten!
Tweede wet van de thermodynamica
Bij warmteoverdrachten ze komen altijd van het warmste lichaam naar het koudste lichaam, het gebeurt spontaan, maar niet andersom. Dat wil zeggen dat processen voor thermische energieoverdracht onomkeerbaar zijn.
Op deze manier wordt door de Tweede wet van de thermodynamica, kan warmte niet volledig worden omgezet in een andere vorm van energie. Om deze reden wordt warmte beschouwd als een gedegradeerde vorm van energie.
De fysieke hoeveelheid gerelateerd aan de tweede wet van de thermodynamica is de entropie, wat overeenkomt met de mate van wanorde van een systeem.
Lees ook:
- Carnot-cyclus
- Thermische uitzetting
Nulwet van de thermodynamica
DE Nulwet van de thermodynamica behandelt de voorwaarden voor het verkrijgen van de thermische balans. Onder deze omstandigheden kunnen we de invloed van materialen noemen die de thermische geleidbaarheid hoger of lager maken.
Volgens deze wet is
- als een lichaam A in thermisch evenwicht is in contact met een lichaam B en
- als dit lichaam A in thermisch evenwicht is in contact met een lichaam C, dan
- B is in thermisch evenwicht in contact met C.
Wanneer twee lichamen met verschillende temperaturen met elkaar in contact worden gebracht, zal degene die warmer is warmte afgeven aan degene die koeler is. Dit zorgt ervoor dat de temperaturen gelijk worden en de thermische balans.
Het wordt de nulwet genoemd omdat het begrip ervan noodzakelijk bleek voor de eerste twee wetten die al bestonden, de eerste en tweede wet van de thermodynamica.
Derde wet van de thermodynamica
DE Derde wet van de thermodynamica het lijkt een poging om een absoluut referentiepunt vast te stellen dat de entropie bepaalt. Entropie is eigenlijk de basis van de tweede wet van de thermodynamica.
Walther Nernst, de natuurkundige die het voorstelde, concludeerde dat het voor een zuivere stof met een temperatuur van nul niet mogelijk was om entropie te hebben bij een geschatte waarde van nul.
Om deze reden is het een controversiële wet, die door veel natuurkundigen als een regel wordt beschouwd en niet als een wet.
thermodynamische systemen
In een thermodynamisch systeem kunnen er een of meerdere lichamen zijn die verwant zijn. De omgeving die het omringt en het universum vertegenwoordigen de omgeving buiten het systeem. Het systeem kan worden gedefinieerd als: open, gesloten of geïsoleerd.
thermodynamische systemen
Wanneer het systeem wordt geopend, vindt er een overdracht van massa en energie plaats tussen het systeem en de externe omgeving. In het gesloten systeem is er alleen energieoverdracht (warmte), en wanneer het geïsoleerd is, is er geen uitwisseling.
gedrag van gassen
Het microscopisch gedrag van gassen is gemakkelijker te beschrijven en te interpreteren dan in andere fysische toestanden (vloeibaar en vast). Daarom worden in deze onderzoeken het meest gassen gebruikt.
In thermodynamische studies worden ideale of perfecte gassen gebruikt. Het is een model waarin deeltjes chaotisch bewegen en alleen bij botsingen op elkaar inwerken. Verder wordt aangenomen dat deze botsingen tussen de deeltjes en tussen de deeltjes en de wanden van de houder elastisch zijn en zeer kort duren.
In een gesloten systeem veronderstelt het ideale gas een gedrag dat de volgende fysieke grootheden omvat: druk, volume en temperatuur. Deze variabelen bepalen de thermodynamische toestand van een gas.
Gedrag van gassen volgens gaswetten
Druk (p) wordt geproduceerd door de beweging van gasdeeltjes in de container. De ruimte die door het gas in de container wordt ingenomen, is het volume (v). En de temperatuur (t) is gerelateerd aan de gemiddelde kinetische energie van de bewegende gasdeeltjes.
Lees ook Gaswet en Studie van gassen.
interne energie
De interne energie van een systeem is een fysieke grootheid die helpt te meten hoe de transformaties die een gas ondergaat plaatsvinden. Deze grootte houdt verband met de variatie in temperatuur en kinetische energie van deeltjes.
Een ideaal gas, bestaande uit slechts één type atoom, heeft interne energie die recht evenredig is met de temperatuur van het gas. Dit wordt weergegeven door de volgende formule:
Opgeloste oefeningen over thermodynamica
vraag 1
Een cilinder met een beweegbare zuiger bevat een gas met een druk van 4,0,104N/m2. Wanneer 6 kJ warmte aan het systeem wordt geleverd, bij constante druk, zet het gasvolume uit met 1,0,10-1m3. Bepaal het verrichte werk en de verandering in interne energie in deze situatie.
Correct antwoord: de verrichte arbeid is 4000 J en de interne energieverandering is 2000 J.
Gegevens:
P = 4,0.104 N/m2
Vraag = 6KJ of 6000J
V = 1,0.10-1 m3
T =? U = ?
1e stap: Bereken het werk met de probleemgegevens.
T = P. V
T = 4.0.104. 1,0.10-1
T = 4000 J
2e Stap: Bereken de variatie van de interne energie met de nieuwe gegevens.
Q = T + ΔU
ΔU = Q - T
ΔU = 6000 - 4000
ΔU = 2000J
Daarom is de uitgevoerde arbeid 4000 J en de interne energieverandering 2000 J.
vraag 2
(Aangepast uit ENEM 2011) Een motor kan alleen arbeid verrichten als hij een hoeveelheid energie ontvangt van een ander systeem. In dit geval komt de in de brandstof opgeslagen energie voor een deel vrij bij de verbranding zodat het toestel kan functioneren. Wanneer de motor draait, kan een deel van de energie die wordt omgezet of omgezet in verbranding niet worden gebruikt om werk te doen. Dit betekent dat er sprake is van energielekkage in een andere vorm.
Volgens de tekst zijn de energietransformaties die optreden tijdens de werking van de motor te wijten aan:
a) warmteafgifte in de motor is onmogelijk.
b) door de motor uitgevoerde werkzaamheden oncontroleerbaar zijn.
c) volledige omzetting van warmte naar arbeid is onmogelijk.
d) transformatie van thermische energie in kinetiek is onmogelijk.
e) het potentiële energieverbruik van de brandstof is onbeheersbaar.
Correct alternatief: c) volledige omzetting van warmte naar arbeid is onmogelijk.
Zoals eerder gezien, kan warmte niet volledig worden omgezet in arbeid. Tijdens de werking van de motor gaat een deel van de thermische energie verloren en wordt overgedragen aan de externe omgeving.
Zie ook: Oefeningen over thermodynamica
