Termodinamika je področje fizike, ki preučuje prenose energije. Prizadeva si razumeti razmerja med toploto, energijo in delom, analizirati količine izmenjane toplote in delo, opravljeno v fizičnem procesu.
Termodinamično znanost so sprva razvili raziskovalci, ki so v obdobju industrijske revolucije iskali način za izboljšanje strojev in izboljšanje njihove učinkovitosti.
Trenutno se to znanje uporablja v različnih situacijah našega vsakdana. Na primer: termični stroji in hladilniki, avtomobilski motorji in postopki za pretvorbo mineralov in naftnih derivatov.
Zakoni termodinamike
Temeljni zakoni termodinamike urejajo delovanje toplote in obratno.
Prvi zakon termodinamike
THE Prvi zakon termodinamike se nanaša na načelo varčevanja z energijo. To pomeni, da energije v sistemu ni mogoče uničiti ali ustvariti, temveč samo preoblikovati.
Formula, ki predstavlja prvi zakon termodinamike, je naslednja:
Količina toplote, dela in variacije notranje energije imajo za standardno mersko enoto Joule (J).
Praktičen primer varčevanja z energijo je, ko človek s črpalko napihne napihljiv predmet in s silo črpa zrak v objekt. To pomeni, da se zaradi kinetične energije bat spusti. Vendar se del te energije pretvori v toploto, ki se izgubi v okolju.
THE Hessov zakon je poseben primer načela varčevanja z energijo. Izvedite več!
Drugi zakon termodinamike
Ob prenos toplote vedno se pojavijo od najtoplejšega telesa do najhladnejšega telesa, zgodi se spontano, ne pa tudi obratno. Se pravi, da so procesi prenosa toplotne energije nepovratni.
Na ta način Drugi zakon termodinamike, ni mogoče, da se toplota v celoti pretvori v drugo obliko energije. Zaradi tega se toplota šteje za degradirano obliko energije.
Fizična količina, povezana z drugim zakonom termodinamike, je entropija, kar ustreza stopnji motnje sistema.
Preberite tudi:
- Carnotov cikel
- Toplotno raztezanje
Ničelni zakon termodinamike
THE Ničelni zakon termodinamike obravnava pogoje za pridobitev toplotna bilanca. Med temi pogoji lahko omenimo vpliv materialov, zaradi katerih je toplotna prevodnost višja ali nižja.
V skladu s tem zakonom
- če je telo A v toplotnem ravnovesju v stiku s telesom B in
- če je to telo A v toplotnem ravnovesju v stiku s telesom C, potem
- B je v toplotnem ravnovesju v stiku s C.
Ko prideta v stik dve telesi z različnimi temperaturami, bo toplejše toploto predalo hladnejšemu. To povzroči, da se temperature izenačijo in dosežejo toplotna bilanca.
Imenuje se nič zakon, ker se je njegovo razumevanje izkazalo za potrebno za prva dva zakona, ki sta že obstajala, prvi in drugi zakon termodinamike.
Tretji zakon termodinamike
THE Tretji zakon termodinamike kaže se kot poskus vzpostavitve absolutne referenčne točke, ki določa entropijo. Entropija je pravzaprav osnova drugega zakona termodinamike.
Walther Nernst, fizik, ki ga je predlagal, je zaključil, da čista snov s temperaturo nič ne more imeti entropije pri približni vrednosti nič.
Iz tega razloga gre za sporen zakon, ki ga mnogi fiziki štejejo za pravilo in ne za zakon.
termodinamični sistemi
V termodinamičnem sistemu je lahko eno ali več sorodnih teles. Okolje, ki ga obdaja, in Vesolje predstavljata zunanje okolje sistema. Sistem lahko definiramo kot: odprt, zaprt ali izoliran.
termodinamični sistemi
Ko se sistem odpre, pride do prenosa mase in energije med sistemom in zunanjim okoljem. V zaprtem sistemu obstaja samo prenos energije (toplota), in ko je izoliran, ni izmenjave.
vedenje plinov
Mikroskopsko vedenje plinov je lažje opisati in razlagati kot v drugih agregatnih stanjih (tekoče in trdno). Zato se v teh študijah največ uporabljajo plini.
V termodinamičnih študijah se uporabljajo idealni ali popolni plini. Gre za model, v katerem se delci premikajo kaotično in medsebojno vplivajo le v trkih. Poleg tega velja, da so ti trki med delci ter med njimi in stenami posode elastični in trajajo zelo kratek čas.
V zaprtem sistemu idealni plin predpostavlja vedenje, ki vključuje naslednje fizikalne količine: tlak, prostornino in temperaturo. Te spremenljivke določajo termodinamično stanje plina.
Obnašanje plinov po plinskih zakonih
Tlak (p) nastane zaradi gibanja delcev plina znotraj posode. Prostor, ki ga zaseda plin v posodi, je prostornina (v). In temperatura (t) je povezana s povprečno kinetično energijo gibljivih delcev plina.
Preberite tudi vi Zakon o plinu in Študija plinov.
notranja energija
Notranja energija sistema je fizikalna veličina, ki pomaga izmeriti, kako poteka transformacija plina. Ta velikost je povezana s spremembo temperature in kinetične energije delcev.
Idealen plin, sestavljen iz samo ene vrste atoma, ima notranjo energijo, ki je neposredno sorazmerna s temperaturo plina. To predstavlja naslednja formula:
Rešene vaje iz termodinamike
Vprašanje 1
Jeklenka s premičnim batom vsebuje plin pod tlakom 4.0.104N / m2. Ko se v sistem dovaja 6 kJ toplote, se pri konstantnem tlaku prostornina plina poveča za 1.0.10-1m3. Določite opravljeno delo in spremembo notranje energije v tej situaciji.
Pravilen odgovor: opravljeno delo je 4000 J, notranja sprememba energije pa 2000 J.
Podatki:
P = 4,0.104 N / m2
V = 6KJ ali 6000J
ΔV = 1,0.10-1 m3
T =? ΔU =?
1. korak: Izračunajte delo s podatki o težavah.
T = P. ΔV
T = 4.0.104. 1,0.10-1
T = 4000 J
2. korak: Izračunajte variacijo notranje energije z novimi podatki.
Q = T + ΔU
ΔU = Q - T
ΔU = 6000 - 4000
ΔU = 2000J
Tako je opravljeno delo 4000 J, notranja sprememba energije pa 2000 J.
2. vprašanje
(Prirejeno iz ENEM 2011) Motor lahko opravlja delo samo, če prejme količino energije iz drugega sistema. V tem primeru se energija, shranjena v gorivu, delno sprosti med zgorevanjem, da lahko naprava deluje. Ko motor teče, nekatere energije, pretvorjene ali transformirane pri zgorevanju, ni mogoče uporabiti za delo. To pomeni, da pride do uhajanja energije v drugi obliki.
Glede na besedilo so energetske preobrazbe, ki se zgodijo med delovanjem motorja, posledica:
a) sproščanje toplote v motorju je nemogoče.
b) delo, ki ga opravlja motor, je neobvladljivo.
c) popolna pretvorba toplote v delo je nemogoča.
d) pretvorba toplotne energije v kinetiko je nemogoča.
e) potencialne porabe energije goriva ni mogoče nadzorovati.
Pravilna alternativa: c) popolna pretvorba toplote v delo je nemogoča.
Kot smo že videli, toplote ni mogoče popolnoma pretvoriti v delo. Med delovanjem motorja se del toplotne energije izgubi in se prenese v zunanje okolje.
Glej tudi: Vaje iz termodinamike
