Uwagi dotyczące termodynamiki
Termodynamika: gałąź fizyki i nauki zajmująca się korelacją między ciepłem a innymi formami energii, które mogą być przenoszone z jednej formy i miejsca do innej, można zdefiniować jako termodynamikę. Pewne terminy, o których należy wiedzieć podczas badania termodynamiki, można lepiej zrozumieć, posługując się następującym terminem.
Ciepło
Ciepło jest formą energii. Przenoszenie energii z jednego ciała do drugiego następuje w wyniku różnicy temperatur, a energia cieplna przepływa z ciała gorącego do ciała zimnego, aby zapewnić równowagę termiczną i odgrywa bardzo kluczową rolę w zasadzie termodynamika.
Praca
Siła zewnętrzna przyłożona w kierunku przemieszczenia, która umożliwia przemieszczanie się obiektu na określoną odległość, podlega pewnemu transferowi energii, który można określić jako pracę w fizyce lub naukach ścisłych. W kategoriach matematycznych pracę można opisać jako przyłożoną siłę pomnożoną przez pokonaną odległość. Jeśli przemieszczenie występuje pod kątem Θ, gdy działa siła, wówczas równanie może wyglądać następująco:
W = fs
W = fscosö
Gdzie,
f = przyłożona siła
s = pokonana odległość
Ө = kąt przemieszczenia
Termodynamika jest bardzo istotnym aspektem naszego codziennego życia. Kierują się zestawem praw, których należy przestrzegać, gdy są stosowane w fizyce.
Zasady termodynamiki
Wszechświat, choć definiuje go wiele praw, tylko nieliczne są potężne. Prawa termodynamiki jako dyscypliny zostały sformułowane i otworzyły drogę do wielu innych zjawisk, od lodówek po chemię i daleko poza procesy życiowe.
Cztery podstawowe prawa termodynamiki uwzględniają fakty empiryczne i konstruować wielkości fizyczne, takie jak temperatura, ciepło, praca termodynamiczna i entropia, które definiują operacje i układy termodynamiczne w równowadze termodynamicznej. Wyjaśniają powiązania między tymi wielkościami. Oprócz zastosowania w termodynamice, prawa te mają integracyjne zastosowania w innych dziedzinach nauki. W termodynamice „System” może być metalowym blokiem lub pojemnikiem z wodą, a nawet naszym ludzkim ciałem, a wszystko inne nazywa się „Otoczeniem”.
Połączenia zeroth prawo termodynamiki przestrzega przechodniej własności matematyki podstawowej, że jeśli dwa systemy są w Równowaga termiczna z 3rd system, to są one również w stanie równowagi termicznej między sobą.
Podstawowe pojęcia, które należy omówić, aby zrozumieć prawa termodynamiki, to system i otoczenie.
System i otoczenie
Zbiór określonego zestawu elementów, które definiujemy lub włączamy (coś tak małego jak atom do czegoś tak dużego jak układ słoneczny) można nazwać systemem, podczas gdy wszystko, co nie podlega systemowi, można uznać za otoczenie, a te dwie koncepcje są oddzielone granicą.
Na przykład kawa w kolbie jest uważana za system i otoczenie z granicą.
Zasadniczo system składa się z trzech typów: otwartego, zamkniętego i izolowanego.
Równania termodynamiki
Równania powstałe w termodynamice są matematyczną reprezentacją zasady termodynamiki poddanej pracy mechanicznej w postaci wyrażeń równań.
Różne równania, które powstają w prawach i funkcjach termodynamiki, są następujące:
● ΔU = q + w (pierwsza zasada TD)
● ΔU = Uf - Ui (energia wewnętrzna)
● q = m Cs ΔT (ciepło / g)
● w = -PextΔV (praca)
● H = U + PV
ΔH = ΔU + PΔV
ΔU = ΔH - PΔV
ΔU = ΔH - ΔnRT (entalpia do energii wewnętrznej)
● S = k ln Ω (druga zasada we wzorze Boltzmana)
● ΔSrxn ° = ΣnS ° (produkty) - ΣnS ° (reagenty) (trzecie prawo)
● ΔG = ΔH - TΔS (darmowa energia)
Pierwsza zasada termodynamiki
1st Prawo termodynamiki wyjaśnia, że kiedy energia (jako praca, ciepło lub materia) przenosi się do lub z systemu, wewnętrzna energia systemu zmieni się zgodnie z prawem zachowania energii (co oznacza, że energii nie można ani stworzyć, ani zniszczyć i mogą być przenoszone lub konwertowane tylko z jednej postaci na inną), tj. perpetuum mobile 1st rodzaj (maszyna, która faktycznie działa bez energii i / p) są nieosiągalne.
Na przykład zapalanie żarówki to prawo przekształcania energii elektrycznej w energię świetlną, która w rzeczywistości świeci, a część zostanie utracona jako energia cieplna.
ΔU = q + w
- ΔU to całkowita zmiana energii wewnętrznej układu.
- q to wymiana ciepła między systemem a jego otoczeniem.
- w to praca wykonana przez system.
Druga zasada termodynamiki
Druga zasada termodynamiki definiuje ważną właściwość układu zwaną entropią. Entropia wszechświata jest zawsze rosnąca i matematycznie reprezentowana jako ΔSuniv> 0, gdzie ΔSuniv jest zmianą entropii wszechświata.
Entropia
Entropia jest miarą losowości systemu lub jest miarą energii lub chaosu w systemie izolowanym, można to uznać za wskaźnik ilościowy opisujący klasyfikację energii.
Drugie prawo podaje również górną granicę sprawności systemów i kierunek procesu. Podstawową koncepcją jest to, że ciepło nie przepływa z obiektu o niższej temperaturze do obiektu o wyższej temperaturze. Aby tak się stało, do systemu należy dostarczyć zewnętrzne dane wejściowe. To jest wyjaśnienie jednej z podstaw drugiej zasady termodynamiki zwanej „twierdzeniem Clausiusa drugiej zasady”. Stwierdza, że „nie jest możliwe przeniesienie ciepła w procesie cyklicznym od niskiej do wysokiej temperatury bez pracy ze źródła zewnętrznego”.
Prawdziwym przykładem tego stwierdzenia są lodówki i pompy ciepła. Wiadomo również, że maszyna, która nie jest w stanie przetworzyć całej energii dostarczonej do systemu, nie może zostać przekształcona do pracy ze 100-procentową wydajnością. To z kolei prowadzi nas do następującego stwierdzenia zwanego „stwierdzeniem drugiego prawa Kelvina-Plancka”. Stwierdzenie to brzmi następująco: „Nie da się skonstruować urządzenia (silnika) pracującego w cyklu, które nie da żadnego innego efektu, jak tylko odbiór ciepła z jednego zbiornika i zamienienie go w całość w pracę”.
Matematycznie, stwierdzenie Kelvina-Plancka można zapisać jako: Wcykl ≤ 0 (dla pojedynczego zbiornika) Maszyna, która może produkować pracę w sposób ciągły, pobierając ciepło z pojedynczego zbiornika ciepła i przekształcając je w pracę, nazywa się maszyną perpetuum mobile drugi rodzaj. Ta maszyna bezpośrednio narusza oświadczenie Kelvina-Plancka. Mówiąc prościej, aby system działał w cyklu, musi współdziałać z dwoma zbiornikami termicznymi w różnych temperaturach.
Tak więc, w języku laika, rozwija się druga zasada termodynamiki, kiedy konwersja energii zachodzi z jednego do drugiego stanu, entropia nie maleje, ale zawsze rośnie, niezależnie od systemu zamkniętego.
Trzecia zasada termodynamiki
Mówiąc prostym językiem, trzecie prawo stwierdza, że entropia obiektu zbliża się do zera, gdy temperatura bezwzględna zbliża się do zera (0K). To prawo pomaga znaleźć absolutny punkt wiarygodności w celu uzyskania entropii. 3rd Prawo termodynamiki ma 2 istotne cechy, jak następuje.
Znak entropii określonej substancji w dowolnej temperaturze powyżej 0 K jest rozpoznawany jako znak dodatni i daje stały punkt odniesienia do identyfikacji bezwzględnej entropii dowolnej określonej substancji w dowolnej temperaturze.
Różne miary energii
ENERGIA
Energię definiuje się jako zdolność do pracy. Jest to wielkość skalarna. Jest mierzony w KJ w jednostkach SI i Kcal w jednostkach MKS. Energia może mieć wiele form.
FORMY ENERGII:
Energia może istnieć w wielu formach, takich jak
- 1. Energia wewnętrzna
- 2. Energia cieplna
- 3. Energia elektryczna
- 4. Energia mechaniczna
- 5. Energia kinetyczna
- 6. Energia potencjalna
- 7. Energia wiatrowa i
- 8. Energia jądrowa
To dalej kategoryzowane w
(a) energia zmagazynowana i (b) energia tranzytowa.
Magazynowana energia
Zmagazynowana energia może być jednym z dwóch poniższych typów.
- Makroskopowe formy energii: Energia potencjalna i energia kinetyczna.
- Mikroskopijne formy energii: Energia wewnętrzna.
Energia tranzytu
Energia tranzytu oznacza energię w okresie przejściowym, zasadniczo reprezentowaną przez energię posiadaną przez system zdolny do przekraczania granic
Ciepło:
Jest to forma transferu energii, która przepływa między dwoma systemami pod wpływem różnicy temperatur między nimi.
(a) Kaloria (cal) Jest to ciepło potrzebne do podniesienia temperatury 1 g H2O o 1 ° C
(b) Brytyjska jednostka termiczna (BTU) Jest to ciepło potrzebne do podniesienia temperatury 1 funta H2O o 1 stopień F
Praca:
Interakcję energetyczną między systemem a jego otoczeniem podczas procesu można uznać za transfer pracy.
Entalpia:
Entalpia (H) zdefiniowana jako suma energii wewnętrznych układu i iloczynu jego ciśnienia, objętości oraz entalpii jest funkcją stanu stosowaną w dziedzinie układów fizycznych, mechanicznych i chemicznych pod stałym ciśnieniem, wyrażoną w dżulach (J) w SI jednostki.
Zależność między jednostkami miary energii (w odniesieniu do dżuli, J)
| Jednostka | Równoważny |
| 1eV | 1.1602 x 10-19 J. |
| 1 kal | 4.184 J |
| 1 BTU | 1.055 kJ |
| W 1 | 1 J / sek |
Tabela: Tabela relacji
Relacje Maxwella
Cztery najbardziej tradycyjne relacje Maxwella to równości drugiej pochodnej każdej z czterech perspektyw termodynamicznych, dotyczące ich zmiennych mechanicznych, takich jak ciśnienie (P) i objętość (V) oraz ich zmienne termiczne, takie jak temperatura (T) i entropia ( S).
Równanie: wspólne relacje Maxwella
Wnioski
Ten artykuł na temat termodynamiki daje wgląd w podstawowe prawa, definicje, relacje równań i ich nieliczne zastosowania, chociaż treść jest krótka, można ją wykorzystać do ilościowego określenia wielu niewiadomych. Termodynamika znajduje zastosowanie w różnych dziedzinach, ponieważ niektóre wielkości są łatwiejsze do zmierzenia niż inne, chociaż ten temat jest sam w sobie głęboki, termodynamika jest fundamentalna, a jej fascynujące zjawisko daje nam głębokie zrozumienie roli energii w tym wszechświecie
Kilka pytań z zakresu termodynamiki
Jakie są zastosowania termodynamiki w inżynierii?
Istnieje kilka zastosowań termodynamiki w naszym codziennym życiu, a także w dziedzinie inżynierii. Prawa termodynamiki są nieodłącznie wykorzystywane w przemyśle samochodowym i lotniczym, np. W silnikach spalinowych i turbinach gazowych w odpowiednich wydziałach. Znajduje również zastosowanie w silnikach cieplnych, pompach ciepła, lodówkach, elektrowniach, klimatyzacji i nie tylko zgodnie z zasadami termodynamiki.
Dlaczego termodynamika jest ważna?
W naszym codziennym życiu, a także w sektorze inżynieryjnym, termodynamika ma różne znaczenie. Procesy zachodzące naturalnie w naszym codziennym życiu podlegają prawom termodynamicznym. Koncepcje przenikania ciepła a systemy cieplne w środowisku są wyjaśnione przez fundamentalną termodynamiczną, dlatego temat jest dla nas bardzo ważny.
Jak długo trwa zamarzanie butelki wody w temperaturze 32˚F?
Jeśli chodzi o koncepcyjne rozwiązanie danego pytania, czas potrzebny do zamrożenia butelki wody w temperaturze 32 ° C będzie zależał od punktu zarodkowania wody, który można zdefiniować jako punkt, w którym cząsteczki w cieczy są gromadzone, aby przekształcić się w krystaliczną strukturę ciała stałego, w którym czysta woda zamarza w temperaturze -39 ° C.
Inne czynniki brane pod uwagę to utajone ciepło topnienia wody, czyli ilość energii potrzebnej do zmiany jej stanu, zasadniczo ciekłego w ciało stałe lub z ciała stałego w płyn. Utajone ciepło topnienia wody o temperaturze 0 ° C wynosi 334 dżule na gram.
Co to jest współczynnik odcięcia i jak wpływa na sprawność cieplną silnika wysokoprężnego?
Współczynnik odcięcia jest odwrotnie proporcjonalny do cykl diesla wraz ze wzrostem sprawności współczynnika odcięcia następuje spadek lub zmniejszenie sprawności silnika wysokoprężnego. Współczynnik odcięcia opiera się na równaniu, w którym stosunek objętości cylindra przed i po spalaniu jest do siebie proporcjonalny.
To wygląda następująco:
 | |
| Równanie 1: współczynnik odcięcia |
Co to jest stan ustalony w termodynamice?
Obecny stan układu, który zawiera przepływ przez niego w czasie i zmienne tego konkretnego procesu pozostają stałe, wówczas stan ten można zdefiniować jako układ w stanie ustalonym w temacie termodynamiki.
Jakie są przykłady granicy stałej i granicy ruchomej w przypadku termodynamiki?
Ruchoma granica lub inaczej mówiąc, masa kontrolna jest pewną klasą układu, w którym materia nie może poruszać się przez granicę układu, podczas gdy sama granica działa jak elastyczny charakter, który może rozszerzać się lub kurczyć, nie pozwalając żadnej masie na przepływ do lub z to. Prostym przykładem ruchomego układu granicznego w podstawowej termodynamice byłby tłok w silniku spalinowym, w którym granica rozszerza się, gdy tłok jest przemieszczany, podczas gdy masa gazu w cylindrze pozostaje stała, umożliwiając pracę.
Natomiast w przypadku ustalonej granicy praca nie jest dozwolona, ponieważ utrzymują stałą objętość, podczas gdy masa może swobodnie wpływać i wypływać w systemie. Można to również nazwać procesem regulacji głośności. Przykład: gaz wypływa z domowej butli podłączonej do pieca przy stałej objętości.
Jakie są podobieństwa i odmienności ciepła i pracy w termodynamice?
Podobieństwa:
- ● Obie te energie są traktowane jako funkcje ścieżki lub wielkości procesowe.
- ● Są również niedokładnymi różnicami.
- ● Obie formy energii nie są magazynowane i mogą być przenoszone do iz systemu po przejściu zjawiska.
Różnice:
- ● Przepływ ciepła w układzie jest zawsze związany z funkcją entropii, podczas gdy wraz z układem pracy nie występuje transfer entropii.
- ● Ciepła nie można zamienić w stu procentach na pracę, podczas gdy pracy można przekształcić w ciepło w 100%.
- ● Ciepło jest uważane za energię niskiego stopnia, co oznacza, że łatwo jest przekształcić ciepło w inne formy, podczas gdy praca jest energią wysokiej jakości.
Zespół TechieScience Core MŚP to grupa doświadczonych ekspertów merytorycznych z różnych dziedzin nauki i techniki, w tym fizyki, chemii, technologii, elektroniki i elektrotechniki, motoryzacji, inżynierii mechanicznej. Nasz zespół współpracuje przy tworzeniu wysokiej jakości, dobrze udokumentowanych artykułów na szeroki zakres tematów naukowych i technologicznych dla witryny TechieScience.com.
Wszystkie nasze starsze MŚP mają ponad 7-letnie doświadczenie w odpowiednich dziedzinach. Są to albo pracujący profesjonaliści z branży, albo związani z różnymi uniwersytetami. Wspominać Nasi autorzy Strona, na której można poznać nasze podstawowe MŚP.