Termodinamica este o zonă a fizicii care studiază transferurile de energie. Se caută să înțeleagă relațiile dintre căldură, energie și muncă, analizând cantitățile de căldură schimbate și munca efectuată într-un proces fizic.
Știința termodinamică a fost inițial dezvoltată de cercetători care căutau o modalitate de a îmbunătăți mașinile, în perioada Revoluției Industriale, îmbunătățindu-le eficiența.
Aceste cunoștințe sunt aplicate în prezent în diferite situații din viața noastră de zi cu zi. De exemplu: mașini termice și frigidere, motoare auto și procese pentru transformarea mineralelor și a produselor petroliere.
Legile termodinamicii
Legile fundamentale ale termodinamicii guvernează modul în care căldura devine funcțională și invers.
Prima lege a termodinamicii
THE Prima lege a termodinamicii se referă la principiul conservării energiei. Aceasta înseamnă că energia dintr-un sistem nu poate fi distrusă sau creată, ci doar transformată.
Formula care reprezintă prima lege a termodinamicii este următoarea:
Cantitatea de căldură, munca și variația energiei interne au ca unitate standard de măsură Joule (J).
Un exemplu practic de conservare a energiei este atunci când o persoană folosește o pompă pentru a umfla un obiect gonflabil, el folosește forța pentru a pompa aer în obiect. Aceasta înseamnă că energia cinetică face pistonul să coboare. Cu toate acestea, o parte din această energie se transformă în căldură, care se pierde în mediul înconjurător.
THE Legea lui Hess este un caz particular al principiului conservării energiei. Aflați mai multe!
A doua lege a termodinamicii
La transferuri de căldură apar întotdeauna de la cel mai cald corp la cel mai rece corp, se întâmplă spontan, dar nu invers. Ceea ce înseamnă că procesele de transfer de energie termică sunt ireversibile.
În acest fel, prin A doua lege a termodinamicii, nu este posibil ca căldura să fie complet transformată într-o altă formă de energie. Din acest motiv, căldura este considerată o formă degradată de energie.
Cantitatea fizică legată de a doua lege a termodinamicii este entropie, care corespunde gradului de tulburare al unui sistem.
Citește și:
- Ciclul Carnot
- Expansiunea termică
Legea zero a termodinamicii
THE Legea zero a termodinamicii se ocupă de condițiile pentru obținerea echilibrul termic. Printre aceste condiții putem menționa influența materialelor care fac conductivitatea termică mai mare sau mai mică.
Conform acestei legi,
- dacă un corp A se află în echilibru termic în contact cu un corp B și
- dacă acest corp A se află în echilibru termic în contact cu un corp C, atunci
- B este în echilibru termic în contact cu C.
Când doi corpuri cu temperaturi diferite sunt aduse în contact, cel care este mai cald va transfera căldura către cel care este mai rece. Acest lucru determină egalizarea temperaturilor, ajungând la echilibrul termic.
Se numește legea zero, deoarece înțelegerea sa s-a dovedit necesară pentru primele două legi care existau deja, prima și a doua legi ale termodinamicii.
A treia lege a termodinamicii
THE A treia lege a termodinamicii apare ca o încercare de a stabili un punct de referință absolut care determină entropia. Entropia este de fapt baza celei de-a doua legi a termodinamicii.
Walther Nernst, fizicianul care a propus-o, a concluzionat că nu era posibil ca o substanță pură cu o temperatură zero să aibă entropie la o valoare aproximativă de zero.
Din acest motiv, este o lege controversată, considerată de mulți fizicieni ca o regulă și nu ca o lege.
sisteme termodinamice
Într-un sistem termodinamic pot exista unul sau mai multe corpuri care sunt înrudite. Mediul care îl înconjoară și Universul reprezintă mediul extern sistemului. Sistemul poate fi definit ca: deschis, închis sau izolat.
sisteme termodinamice
Când sistemul este deschis, există un transfer de masă și energie între sistem și mediul extern. În sistemul închis există doar transfer de energie (căldură), iar atunci când este izolat nu există schimb.
comportamentul gazelor
Comportamentul microscopic al gazelor este mai ușor de descris și interpretat decât în alte stări fizice (lichide și solide). De aceea gazele sunt cele mai utilizate în aceste studii.
În studiile termodinamice se utilizează gaze ideale sau perfecte. Este un model în care particulele se mișcă haotic și interacționează numai în coliziuni. Mai mult, se consideră că aceste coliziuni între particule și între ele și pereții containerului sunt elastice și durează pentru un timp foarte scurt.
Într-un sistem închis, gazul ideal presupune un comportament care implică următoarele mărimi fizice: presiune, volum și temperatură. Aceste variabile definesc starea termodinamică a unui gaz.
Comportamentul gazelor conform legilor gazelor
Presiunea (p) este produsă de mișcarea particulelor de gaz în interiorul containerului. Spațiul ocupat de gazul din interiorul containerului este volumul (v). Iar temperatura (t) este legată de energia cinetică medie a particulelor de gaz în mișcare.
Citește și tu Legea gazelor și Studiul gazelor.
energie interna
Energia internă a unui sistem este o mărime fizică care ajută la măsurarea modului în care apar transformările unui gaz. Această magnitudine este legată de variația temperaturii și a energiei cinetice a particulelor.
Un gaz ideal, format dintr-un singur tip de atom, are energie internă direct proporțională cu temperatura gazului. Aceasta este reprezentată de următoarea formulă:
Exerciții rezolvate de termodinamică
intrebarea 1
Un cilindru cu piston mobil conține un gaz la o presiune de 4.0.104N / m2. Când 6 kJ de căldură sunt furnizate sistemului, la presiune constantă, volumul de gaz se extinde cu 1.0.10-1m3. Determinați munca depusă și schimbarea energiei interne în această situație.
Răspuns corect: munca realizată este de 4000 J și schimbarea energiei interne este de 2000 J.
Date:
P = 4,0.104 N / m2
Î = 6KJ sau 6000J
ΔV = 1,0.10-1 m3
T =? ΔU =?
Pasul 1: Calculați munca cu datele problemei.
T = P. ΔV
T = 4.0.104. 1,0.10-1
T = 4000 J
Pasul 2: Calculați variația energiei interne cu noile date.
Q = T + ΔU
ΔU = Q - T
ΔU = 6000 - 4000
ΔU = 2000J
Prin urmare, munca efectuată este de 4000 J, iar schimbarea energiei interne este de 2000 J.
intrebarea 2
(Adaptat din ENEM 2011) Un motor poate efectua lucrări numai dacă primește o cantitate de energie de la un alt sistem. În acest caz, energia stocată în combustibil este, parțial, eliberată în timpul arderii, astfel încât aparatul să poată funcționa. Când motorul funcționează, o parte din energia transformată sau transformată în combustie nu poate fi folosită pentru a lucra. Aceasta înseamnă că există o scurgere de energie sub o altă formă.
Conform textului, transformările de energie care apar în timpul funcționării motorului se datorează:
a) degajarea de căldură în interiorul motorului este imposibilă.
b) munca efectuată de motor este incontrolabilă.
c) conversia completă a căldurii în lucru este imposibilă.
d) transformarea energiei termice în cinetică este imposibilă.
e) utilizarea energiei potențiale a combustibilului este incontrolabilă.
Alternativă corectă: c) conversia completă a căldurii în lucru este imposibilă.
După cum sa văzut mai devreme, căldura nu poate fi transformată pe deplin în muncă. În timpul funcționării motorului, o parte din energia termică se pierde, fiind transferată în mediul extern.
Vezi și tu: Exerciții de termodinamică
