Termodynamika to dziedzina fizyki zajmująca się badaniem transferów energii. Ma na celu zrozumienie relacji między ciepłem, energią i pracą, analizując ilości wymienianego ciepła i pracę wykonaną w procesie fizycznym.
Nauka termodynamiczna była początkowo rozwijana przez badaczy, którzy w okresie rewolucji przemysłowej szukali sposobu na ulepszenie maszyn, poprawiając ich wydajność.
Ta wiedza jest obecnie stosowana w różnych sytuacjach naszego codziennego życia. Na przykład: maszyny cieplne i lodówki, silniki samochodowe oraz procesy przetwarzania minerałów i produktów naftowych.
Prawa termodynamiki
Podstawowe prawa termodynamiki regulują sposób, w jaki ciepło staje się pracą i odwrotnie.
Pierwsza zasada termodynamiki
TEN Pierwsza zasada termodynamiki odnosi się do zasada zachowania energii energy. Oznacza to, że energii w systemie nie można zniszczyć ani stworzyć, a jedynie przekształcić.
Wzór reprezentujący pierwszą zasadę termodynamiki jest następujący:
Ilość ciepła, praca i zmiany energii wewnętrznej mają jako standardową jednostkę miary dżul (J).
Praktycznym przykładem oszczędzania energii jest sytuacja, w której osoba używa pompy do napompowania nadmuchiwanego obiektu, używa siły do pompowania powietrza do obiektu. Oznacza to, że energia kinetyczna powoduje opuszczenie tłoka. Jednak część tej energii zamieniana jest na ciepło, które jest tracone do otoczenia.
TEN Prawo Hessa jest szczególnym przypadkiem zasady zachowania energii. Wiedzieć więcej!
Druga zasada termodynamiki
W transfery ciepła zawsze występują od najcieplejszego do najzimniejszego ciała, dzieje się to spontanicznie, ale nie na odwrót. Oznacza to, że procesy wymiany energii cieplnej są nieodwracalne.
W ten sposób przez Druga zasada termodynamiki, nie jest możliwe całkowite przekształcenie ciepła w inną formę energii. Z tego powodu ciepło jest uważane za zdegradowaną formę energii.
Wielkość fizyczna związana z Drugą Zasadą Termodynamiki to entropia, co odpowiada stopniowi nieuporządkowania systemu.
Przeczytaj też:
- Cykl Carnota
- Rozszerzalność cieplna
Zero Prawo Termodynamiki
TEN Zero Prawo Termodynamiki zajmuje się warunkami uzyskania bilans cieplny. Wśród tych warunków można wymienić wpływ materiałów, które powodują, że przewodnictwo cieplne jest wyższe lub niższe.
Zgodnie z tym prawem
- jeśli ciało A jest w równowadze termicznej w kontakcie z ciałem B i
- jeśli to ciało A jest w równowadze termicznej w kontakcie z ciałem C, wtedy
- B jest w równowadze termicznej w kontakcie z C.
Kiedy zetknie się dwa ciała o różnych temperaturach, to cieplejsze przeniesie ciepło do tego, które jest chłodniejsze. Powoduje to wyrównanie temperatur osiągając bilans cieplny.
Nazywa się to prawem zerowym, ponieważ jego zrozumienie okazało się konieczne dla dwóch pierwszych praw, które już istniały, pierwszej i drugiej zasady termodynamiki.
Trzecie Prawo Termodynamiki
TEN Trzecie Prawo Termodynamiki jawi się jako próba ustalenia absolutnego punktu odniesienia, który określa entropię. Entropia jest właściwie podstawą Drugiej Zasady Termodynamiki.
Walther Nernst, fizyk, który ją zaproponował, doszedł do wniosku, że nie jest możliwe, aby czysta substancja o temperaturze zerowej miała entropię zbliżoną do zera.
Z tego powodu jest to prawo kontrowersyjne, uważane przez wielu fizyków za zasadę, a nie za prawo.
systemy termodynamiczne
W układzie termodynamicznym może istnieć jedno lub kilka powiązanych ze sobą ciał. Otaczające go środowisko i Wszechświat reprezentują środowisko zewnętrzne względem systemu. System można zdefiniować jako: otwarty, zamknięty lub izolowany.
systemy termodynamiczne
Po otwarciu układu następuje transfer masy i energii między układem a środowiskiem zewnętrznym. W układzie zamkniętym jest tylko transfer energii (ciepło), a gdy jest izolowany, nie ma wymiany.
zachowanie gazów
Mikroskopowe zachowanie gazów jest łatwiej opisać i zinterpretować niż w innych stanach fizycznych (cieczy i ciało stałe). Dlatego w tych badaniach najczęściej wykorzystuje się gazy.
W badaniach termodynamicznych stosuje się gazy doskonałe lub doskonałe. Jest to model, w którym cząstki poruszają się chaotycznie i oddziałują tylko w zderzeniach. Ponadto uważa się, że te zderzenia między cząstkami oraz między nimi a ściankami pojemnika są elastyczne i trwają bardzo krótko.
W systemie zamkniętym gaz doskonały zakłada zachowanie, które obejmuje następujące wielkości fizyczne: ciśnienie, objętość i temperaturę. Zmienne te określają stan termodynamiczny gazu.
Zachowanie gazów zgodnie z prawem gazowym
Ciśnienie (p) jest wytwarzane przez ruch cząsteczek gazu wewnątrz pojemnika. Przestrzeń zajmowana przez gaz wewnątrz kontenera to objętość (v). A temperatura (t) jest związana ze średnią energią kinetyczną poruszających się cząstek gazu.
Przeczytaj też Prawo gazowe i Badanie gazów.
energia wewnętrzna
Energia wewnętrzna systemu jest wielkością fizyczną, która pomaga zmierzyć przebieg przemian gazu. Ta wielkość jest związana ze zmiennością temperatury i energii kinetycznej cząstek.
Gaz doskonały, składający się tylko z jednego rodzaju atomu, ma energię wewnętrzną wprost proporcjonalną do temperatury gazu. Przedstawia to następujący wzór:
Rozwiązane ćwiczenia z termodynamiki
Pytanie 1
Cylinder z ruchomym tłokiem zawiera gaz o ciśnieniu 4.0.104N/m2. Po doprowadzeniu do układu 6 kJ ciepła przy stałym ciśnieniu objętość gazu zwiększa się o 1,0,10-1m3. Określ wykonaną pracę i zmianę energii wewnętrznej w tej sytuacji.
Prawidłowa odpowiedź: wykonana praca to 4000 J, a wewnętrzna zmiana energii to 2000 J.
Dane:
P = 4,0.104 N/m2
Q = 6KJ lub 6000J
V = 1,0.10-1 m3
T =? U = ?
Krok 1: Oblicz pracę z danymi problemu.
T = P. V
T = 4.0.104. 1,0.10-1
T = 4000 J
Krok 2: Oblicz zmienność energii wewnętrznej na podstawie nowych danych.
Q = T + ΔU
ΔU = Q - T
ΔU = 6000 - 4000
ΔU = 2000J
Dlatego wykonana praca to 4000 J, a wewnętrzna zmiana energii to 2000 J.
pytanie 2
(Na podstawie ENEM 2011) Silnik może wykonywać pracę tylko wtedy, gdy otrzymuje pewną ilość energii z innego systemu. W takim przypadku energia zmagazynowana w paliwie jest częściowo uwalniana podczas spalania, aby urządzenie mogło działać. Gdy silnik pracuje, część energii przetworzonej lub przekształconej podczas spalania nie może być wykorzystana do wykonania pracy. Oznacza to, że występuje wyciek energii w innej formie.
Zgodnie z tekstem przemiany energii zachodzące podczas pracy silnika są spowodowane:
a) wydzielanie ciepła wewnątrz silnika jest niemożliwe.
b) praca wykonywana przez silnik jest niekontrolowana.
c) niemożliwa jest pełna konwersja ciepła do pracy.
d) niemożliwa jest przemiana energii cieplnej w kinetykę.
e) potencjalne zużycie energii przez paliwo jest niekontrolowane.
Prawidłowa alternatywa: c) pełna konwersja ciepła do pracy jest niemożliwa.
Jak widzieliśmy wcześniej, ciepła nie da się w pełni zamienić na pracę. Podczas pracy silnika część energii cieplnej jest tracona, przekazywana do środowiska zewnętrznego.
Zobacz też: Ćwiczenia z termodynamiki
