Termodünaamika: 1 2 3 Termodünaamika seadused, valemid, näiteülesanded
Termodünaamika määratlus
Termodünaamika pärineb kreeka keelest, kus termos tähendab soojust ja dünaamika tähendab muutusi. Termodünaamika on teadus, mis kirjeldab jõupingutusi soojuse (temperatuuri erinevustest tingitud energia ülekande) muundamiseks energiaks ja selle tugiomadusteks. Termodünaamika on tihedalt seotud energia, soojuse, töö, entroopia ja protsesside spontaansusega.
Loe ka artikleid, mis võivad olla seotud:Hooke'i seadus: määratlus, rakendus, helid ja valemid koos täielike näidetega
Termodünaamika on seotud ka staatilise mehaanikaga. See füüsika haru uurib energia vahetust soojuse ja töö vormis, piirates süsteeme ja keskkonda. Termodünaamika rakendusi ja rakendusi võib esineda inimkehas, kuuma kohvi puhumisega seotud sündmustes, elektroonilistes tööriistades, külmikutes, autodes, elektrijaamades ja tööstuses.
Termodünaamika põhimõtted
Termodünaamika põhimõte on tegelikult loomulik asi, mis juhtub igapäevaelus. Teaduse ja tehnoloogia arenguga on termodünaamika konstrueeritud nii, et sellest saab mehhanismi vorm, mis võib aidata inimestel nende tegevuses.
Loe ka artikleid, mis võivad olla seotud:Archimiidi seadus: mõiste, helid, valemid ja näited tervikprobleemidest
Nii laialdane termodünaamika rakendamine on võimalik, kuna termodünaamika on arenenud alates 17. sajandist. Termodünaamika teaduse areng algab makroskoopilise lähenemisviisiga, nimelt energia osakesteks olevate aineosakeste üldise käitumisega.
Termodünaamiline süsteem
Termodünaamiliste süsteemide klassifikatsioon, lähtudes piiride olemusest ning aine, energia ja aine läbivoolust nende kaudu. Süsteemi ja selle keskkonna vahelise vahetuse tüübi põhjal on kolme tüüpi süsteeme, mis on järgmised:
1. Avatud süsteem
Süsteem, mis põhjustab energia (soojuse ja töö) ning objektide (aine) vahetuse oma keskkonnaga. See avatud süsteem sisaldab seadmeid, mis hõlmavad massivoolu süsteemi sisse või välja, näiteks kompressorid, turbiinid, düüsid ja sisepõlemismootorid.
Mootori sisepõlemismootorisüsteem on ruum mootori silindris, kus kütuse ja õhu segu siseneb silindrisse ja heitgaasid väljuvad süsteemist. Selles avatud süsteemis võivad nii mass kui ka energia ületada läbilaskva süsteemi piiri. Seega selles süsteemis süsteemi maht ei muutu, nii et seda nimetatakse ka kontrollmahuks.
Lepingud, mida süsteemi analüüsimiseks kasutame, on:
- Soojus (Q) on positiivne, kui see antakse süsteemile, ja negatiivne, kui see väljub süsteemist
- Töö jaoks (W) on positiivne, kui see süsteemist lahkub, ja negatiivne, kui see süsteemi sisestatakse (sisestatakse).
Loe ka artikleid, mis võivad olla seotud: Kepleri seadused 1 2 3: ajalugu, helid, funktsioonid, valemid ja näited tervikprobleemidest
2. Suletud süsteem
Süsteem, mille tulemuseks on energia (soojus ja töö) vahetus, kuid ei vaheta aineid keskkonnaga. Suletud süsteem koosneb teatud massist, kus see mass ei saa ületada süsteemi piirikihti. Kuid energia soojuse ja töö kujul võib ületada süsteemi piirikihi.
Ehkki suletud süsteemis ei saa mass protsessi käigus muutuda, võib maht muutuda liikuva piirikihi olemasolu tõttu süsteemi piirikihi baaside ühes osas seda. Suletud süsteemi näiteks on kuumutatud kuumaõhupall, kus õhumass õhus püsib konstantsena, kuid selle maht muutub ja soojusenergia siseneb õhupalli õhumassis.
Loe ka artikleid, mis võivad olla seotud: Newtoni seadused 1, 2, 3: definitsioon, helid, valemid ja näidisülesanded
Nagu kujutatud allpool olevast suletud süsteemist, siis kui süsteemile antakse soojust (Qin), toimub süsteemis olevate ainete paisumine. See paisumine põhjustab kolvi ülespoole surumist (tekib Wout). Kuna see süsteem ei luba massi süsteemis sisse ja välja (mass on alati konstantne), nimetatakse seda süsteemi massi juhtimiseks.
Süsteem võib läbida soojuse või töö vahetuse või mõlemad, mida tavaliselt peetakse selle piiravaks omaduseks:
- Adiabaatiline barjäär: ei võimalda soojusvahetust.
-
Jäik tõke: ei luba töövahetust.
Tuntud ka kui seinad, on kahte tüüpi seinu, nimelt adiabaatilised seinad ja diatermilised seinad. Adiabaatilised seinad on seinad, mille tõttu mõlemad ained saavutavad pika (aeglase) aja jooksul sama temperatuuri. Täiusliku adiabaatilise seina jaoks ei ole võimalik kahe aine vahel soojust vahetada. Kui diatermiline sein on sein, mis võimaldab mõlemal ainel lühikese aja jooksul (kiiresti) sama temperatuuri saavutada.
Loe ka artikleid, mis võivad olla seotud: Elektromagnetiline induktsioon: määratlus, rakendus ja valemid koos probleemide täielike näidetega
3. Isoleeritud süsteem
Eraldatud süsteem on süsteem, mis ei põhjusta soojuse, aine vahetust ega tööd oma keskkonnaga. Näiteks: termosides ja isoleeritud gaasiballoonides hoitav vesi. Tegelikkuses ei saa süsteemi ümbritsevast täielikult isoleerida, sest kindlasti toimub mingi segunemine, isegi kui aktsepteeritakse vaid kerget gravitatsioonilist tõmmet. Eraldatud süsteemianalüüsis on süsteemi sisenev energia võrdne süsteemist väljuva energiaga.
Süsteemi omadusi määravaid omadusi nimetatakse omadusteks (süsteemi koordinaadid / olekumuutujad). rõhk (p), temperatuur (T), maht (v), mass (m), viskoossus, soojusjuhtivus ja jne. Lisaks on olemas ka koordinaatsüsteemid, mis on määratletud teistest koordinaatsüsteemidest, näiteks erikaal, erimaht, erisoojus ja muud.
Süsteem võib eksisteerida olekus, mis ei muutu, kui igat tüüpi koordinaatide süsteemi saab mõõta kõigis osades ja need ei erine väärtuselt. Sellele tingimusele viidatakse kui
süsteemi teatud olek, kus süsteemil on fikseeritud koordinaatväärtus. Kui koordinaadid muutuvad, siis väidetavalt on süsteemi olek muutunud. Süsteemi, mis ei muuda oma olekut, nimetatakse tasakaalus olevaks süsteemiks.
Termodünaamika seadused
Termodünaamikal on oma toetavad seadused. Need seadused selgitavad, kuidas ja millistele mõistetele tähelepanu pöörata. Nagu näiteks soojusülekande sündmused ja töö termodünaamilistes protsessides.
Alates nende sõnastamisest on need seadused muutunud oluliseks termodünaamikaga seotud seaduseks füüsikamaailmas. Nende seaduste rakendamist kasutatakse ka erinevates valdkondades, nagu keskkonnateadus, autotööstus, toiduteadus, keemia jt. Siin on termodünaamika seadused:
1 Termodünaamika seadus
(Energiasääst süsteemis)
Energiat ei saa luua ega hävitada. Inimesed saavad muuta energiavormi ainult ühest energiavormist teise. Termodünaamikas on nii, et kui millelegi antakse soojust, on see soojus kasulik väliseks tööks ja siseenergia muutmiseks.
Termodünaamika seaduste kõla 1
"Kui süsteemile antakse soojust Q ja süsteem töötab W, muutub iga protsessi puhul siseenergia U = Q - W".
Kus U tähistab süsteemi olemust, samas kui W ja Q mitte. W ja Q ei ole olekumuutujate funktsioonid, vaid on kaasatud termodünaamilistesse protsessidesse, mis võivad olekut muuta. U on olekumuutujate funktsioon (P, V, T, n). W on positiivne, kui süsteem töötab keskkonnaga, ja negatiivne, kui ta aktsepteerib keskkonnatööd.
Q on positiivne, kui süsteem saab ümbrusest soojust, ja negatiivne, kui see eraldab soojust ümbruskonda. Süsteemi energiavahetus sõltub ainult soojuse ülekandest süsteemi ja süsteemi tehtud tööst ning ei sõltu toimuvatest protsessidest. Selles seaduses pole viidatud muutuste suunale ja muudele piirangutele.
1 Termodünaamika valemi seadus
Matemaatiliselt saab termodünaamika esimese seaduse sõnastada järgmiselt:
Q = U + W
Tingimusel, kui:
Q (+) → süsteem saab soojust kalo
VÕI → süsteem eraldab soojust
W (+) → süsteem töötab
W (-) → süsteem töötab
U (+) → toimub siseenergia suurenemine
U (-) → siseenergia vähenemine
U = Q W
Teave:
U = siseenergia muutus (džaulides)
Q = kuumus (džaulides)
W = töö (džaulides)
Protsessid
Isobar → pidev rõhk
Isotermiline → püsiv temperatuur → U = 0
Isohoorne → fikseeritud maht (või isovolumiline või isomeetriline) → W = 0
Adiabaatiline → soojusvahetus puudub → Q = 0
Tsükkel → tsükkel → U = 0
Gaasi oleku võrrand
Gay-Lussaci seadus
Fikseeritud rõhk → V / T = konstantne → V1 / T1 = V2 / T2
Karli seadus
Fikseeritud maht → P / T = konstantne → P1 / T1 = P2 / T2
Boyle'i seadus
Fikseeritud temperatuur → PV = konstant → P1V1 = P2V2
P, V, T muudetud (mitte adiabaatiline)
(P1V1) / (T1) = (P2V2) / (T2)
Adiabatis
P1V1 = P2V2γ
T1V1 1 = T2V2y1
= gaasi erisoojuse suhe püsirõhul ja konstantsel mahul → = Cp / Cv
Pingutus
W = P (ΔV) → isobaar
W = 0 → isokhoris
W = nRT ln (V2 / V1) → isotermiline
W = 3/2 nRΔT → adiabaatiline (üheaatomiline gaas)
Teave:
T = temperatuur (Kelvin, mitte Celsiuse järgi)
P = rõhk (Pa = N / m2)
V = maht (m3)
n = moolide arv
1 liiter = 10–3m3
1 atm = 105 Pa (või järgige küsimust!)
Kui see pole ülesandes teada, võtke väärtus ln 2 = 0,693
Carnot mootor Mesin
= (1 Tr / Tt) x 100%
= (W / Q1) x 100%
W = Q1 Q2
Teave:
= Carnoti mootori kasutegur (%)
Tr = veehoidla madal temperatuur (kelvin)
Tt = veehoidla kõrge temperatuur (Kelvin)
W = töö (džaulides)
Q1 = soojus / neeldunud kõrge reservuaar (džaulides)
Q2 = kütte välja / madala reservuaari heitgaas (džaulides)
Probleemide näide
Gaasi algmahuga 2,0 m3 kuumutatakse isobaarilistes tingimustes, kuni selle lõplik maht on 4,5 m3. Kui gaasi rõhk on 2 atm, siis milline on gaasi väline töö?
(1 atm = 1,01 x 105 Pa)
Arutelu
On tuntud :
V2 = 4,5 m3
V1 = 2,0 m3
P = 2 atm = 2,02 x 105 Pa
Isobar → Fikseeritud rõhk
Küsis W ??
Vastatud:
W = P (ΔV)
W = P (V2 V1)
P = 2,02 x 105 (4,5 2,0) = 5,05 x 105 džauli
2. termodünaamika seadus
(Süsteemi reaktsioonisuund ja piirangud)
See teine seadus piirab, millised energiamuutused võivad toimuda ja millised mitte. See piirang on sätestatud mitmel viisil, nimelt:
"Termodünaamika teine seadus ütleb, et soojus voolab spontaanselt kõrge temperatuuriga objektilt madala temperatuuriga objektile ega voola spontaanselt vastupidises suunas"
Termodünaamika teine seadus lausetes soojusmootorite kohta
Ei ole võimalik ehitada soojusmasinat, mis töötab tsüklis, mis lihtsalt neelab reservuaarist soojust ja muudab selle täielikult väliseks tööks.
Termodünaamika teine seadus entroopia avalduses (termodünaamiline suurus, mis kaasneb muutumisega igas olekus süsteemi algusest lõpuni ja väljendab süsteemi häiret)
Universumi täielik entroopia ei muutu pöörduva protsessi ilmnemisel ja suureneb pöördumatu protsessi ilmnemisel.
3 Termodünaamika seadus
Termodünaamika kolmas seadus käsitleb absoluutset nulltemperatuuri. See seadus ütleb, et kui süsteem saavutab absoluutse nulltemperatuuri (Kelvini temperatuuri), peatuvad kõik protsessid ja entroopia Süsteem läheneb minimaalsele väärtusele.See seadus ütleb ka, et täiusliku kristallstruktuuriga keha entroopia on absoluutsel nullil. on null.
RATAS RANKINE
Rankiini tsükkel on termodünaamiline tsükkel, mis muudab soojuse ole töö. Soojus tarnitakse väliselt suletud voolus, mis tavaliselt onvee kasutamine liikuva vedelikuna. See tsükkel annab 80%kogu maailmas toodetav elektrienergia. Selle tsükli nimi on šoti teadlase William John Maqcuorn Rankine'i mälestuseks.
Rankine'i tsükkel on üldine kuuma aurumasina töömudelleitud elektrijaamades. Rankine'i tsükli peamine soojusallikason kivisüsi, maagaas, nafta, tuumaenergia ja päikesesoojus.
Tsükkel Rankine mõnikord mõnikord tuntud kui praktiline Carnot Cycle, kui akasutatakse tõhusat turbiini, hakkab T-diagramm sarnanema Carnot Cycle'iga.Peamine erinevus on see, et tarnimiseks kasutatakse pumpavedeliku rõhk gaasi asemel. See nõuab umbes 100 korda vähemenergia kui gaasi kokkusurumisel kompressoris (näiteksCarnoti tsüklis).
termodünaamiline tsükkel muundab soojuse elukutse. Suletud ahela jaoks antakse soojust väljastpooltmis tavaliselt kasutavad vett vedelikuna. See tsükkel toodabumbes 80% kogu kasutatud elektrienergiast.
Rankine'i tsükli vedelik järgib suletud voogu ja seda kasutataksepidev. Selles tsüklis võib kasutada erinevat tüüpi vedelikke, kuid valitakse vesiErinevate füüsikaliste ja keemiliste omaduste, näiteks mittetoksilisuse tõttu on neidhulgi ja odav.
Ideaalses Rankine'i tsüklis on pump ja turbiin isentroopilised, mis tähendab, et pumbad ja turbiinid ei tekita entroopiat ja maksimeerivad väljundittöö. Tõelises Rankine'i tsüklis surutakse kokku pumba abil ja paisutataksemitteisentroopilises turbiinis.
Teisisõnu, see protsess ei ole vahelduv mine tagasi ja entroopia protsessi käigus suureneb. See suurendab vajalikku võimsustpumba abil ja vähendab turbiini tekitatud energiat. Eriti,turbiini efektiivsust piirab punkti moodustumine veepunkt laienemise ajalkondensaadi tõttu turbiin.
Punkt need veepiisad löövad turbiini, põhjustades erosioonija korrosioon, vähendades turbiini eluiga ja turbiini efektiivsust. Lihtsaim viis sissesellega tegelemiseks on selle kuumutamine väga kõrgele temperatuurilekõrge.
Termodünaamilist efektiivsust saab saavutada temperatuuri tõstmisega tsükli sisend. Tsükli efektiivsuse suurendamiseks on mitu võimalustRankine. Rankine tsükkel koos soojendusega. Selles tsüklis kaks turbiini töö vaheldumisi.
Esimene, kes saab katlast rõhu all aurukõrge. Kui aur läbib esimest turbiini, siseneb aur katlasse jasoojendatakse enne teise turbiini sisenemist, mis on madalam rõhk.Eeliste hulka kuulub auru kondenseerumise vältiminelaienemine, mis võib põhjustada turbiinikahjustusi, ja suurendada efektiivsustturbiin.
Rankine regeneratiivne tsükkel Mõiste on peaaegu sama mis soojendamise mõiste. Sedaerinevus on aurust, mis on läbinud teise turbiini ja kondensaatori seguneb auruga, mis pole teist turbiini läbinud. Segamine toimub sama rõhu all ja põhjustab segamisetemperatuur. See muudab primaarkütte tõhusamaks.
Rankiini tsükli protsess
Rankine'i tsükkel on kalorimootor, milles veeaur liigub tsükkel. Kõige tavalisem Active Fluid on vesi. Tsükkel koosneb neljast protsessist, millest igaükstsükkel muudab vedeliku olekut (rõhk ja / või olek).
-
1. protsess: Vedelik pumbatakse madalrõhult kõrgsurvele vedel. See protsess nõuab vähe energiat.
-
2. protsess: Kõrgsurve vedelik siseneb katlasse, kus vedelikku kuumutataksekonstantse rõhu all küllastunud auruni.
3. protsess: Küllastunud aur liigub turbiini suunas, tekitades elektrienergiat. See asivähendatud auru temperatuur ja rõhk ning võib-olla ka väike kondenseerumine tekkida.
4. protsess: Märg aur satub kondensaatorisse, kus aur kondenseerubpüsiv rõhk ja temperatuur, kuni see muutub küllastunud vedelikuks.
Termodünaamika probleemide näited
Näide 1
Selgitage kvaasistaatilist protsessi
Vastus:
Kvasistaatiline protsess on protsess, mis jõuab süsteemi tervikuna igal ajahetkel või ükskõik millises muutuse etapis alati tasakaalu seisundisse. See tähendab, et protsessi igas etapis saab süsteemi ikkagi kirjutada olekuvõrrandisse.
Samuti võib väita, et kvaasistaatiline protsess on protsess, mis on lõpmatult tasakaalus olekute jada; iga kord, kui tasakaaluolek erineb eelmisest tasakaaluolekust vaid pisut.
Näide 2
Selgitage ja kirjutage kommentaare järgmiste väidete kohta: Kolbiga varustatud silinder sisaldab teatud kogust gaasi. Kolvi kohale asetatakse 2 (kaks) raskust, igaüks massiga 1 kg, kui võtta üks kaal, muutuvad gaasisüsteemi rõhk ja maht.
Mis sa arvad, kas see näide on kvaasistaatiline protsess või mittekvastaatiline protsess?
Vastus:
Ilmselt läbib see süsteem mittekvasistaatilise protsessi, sest see ei ole lõpmatult paljude tasakaaluolekute jada, vaid ainult kaks tasakaaluolekut, nimelt esialgne ja lõplik tasakaal.
Näide 3
Kuidas muuta näites 2 toodud protsess kvasistaatiliseks protsessiks?
Vastus:
Selleks, et näites 2 toodud süsteemi protsess oleks kvaasistaatiline protsess, tuleb üks raskustest asendada miljoni väikese kaaluga Kaalud kogukaaluga 1 kg ja väikesed kaalud võetakse ükshaaval, nii et protsess, mille süsteem läbib, on protsess kvaasistaatiline.
Näide 4
Andke ja kirjutage pöörduva protsessi selgitus.
Vastus:
Pööratav protsess on protsess algseisundist teatud olekusse ja alates Lõppseisundis on protsessil võimalik tee kaudu uuesti algsesse olekusse naasta sama. Sel viisil lihtsalt, kui süsteemile kehtivad teatud tingimused.
Näide 5
Pange kirja 2 (kaks) nõuet, et protsess oleks pöörduv.
Vastus:
See protsess on kvasistaatiline protsess
Selles protsessis ei esine hajumisefekte
Näide 6
Andke ja kirjutage tsükli või tsükli selgitus.
Vastus:
Tsükkel või tsükkel on pidev protsess, mis on seisundite mitmest etapist koosnev protsesside jada tasakaaluolek teise tasakaaluseisundi juurde naaseb seejärel oma algsesse tasakaaluolekusse, mille tulemuseks on soojuse muundamine tööks või väljaspool äri.
Näide 7
Kas soojust on võimalik täielikult tööks muuta?
Vastus:
Soojus võib täielikult muutuda energiaks / tööks ühes etapis; nimelt ideaalse gaasisüsteemi isotermilises paisumisprotsessis.
- rohkem teada, kas selline protsess võib olla kasulik? (Lugege kirjeldus hoolikalt läbi ning arendage oma ülevaadet ja põhjendusi).
Näide 8
Selgitage soojusmasinat või küttemootorit koos näidetega
Vastus:
Soojusmootor / kütteseade on seade või süsteem, mis toimib soojusenergia või soojusenergia muundamiseks ärienergiaks või mehaaniliseks energiaks. Näitena võib tuua sisepõlemismootori või lõhkemootori.
(Täitke oma vastus uuesti lugedes ja mõistes:
-I- 4 soojus- / küttemootori omadust
-I- soojusmootori või küttemootori põhimõtte skemaatiline joonis).
Näide 9
Andke selgitus külmutusmasina kohta, täiendage selgitus näidetega.
Vastus:
Külmutusmootor on seade või süsteem, mis toimib soojuse ülekandmiseks külmast reservuaarist kuuma reservuaari, kasutades välist tööd. Näitena võib tuua külmkapi või külmkapi.
Näide: 10
Isokoorse protsessi käigus (v = 1 m3) saab gaas 1000 kalorit soojust, nii et rõhk muutub 814 N / m2. Arvutage gaasi siseenergia muutus protsessi käigus. Vastus:
Isohoorne protsess: AV = 0, seega AW = P. AV = 0 AQ = AU + AW ^ 1000 = AU + 0
Nii et energia muutus gaasis = 1000 kalorit = 1000 x 4,186 J = 4186J
Diatoomne gaas keskmisel temperatuuril 200 ° C ja rõhul 105 N / m2 Maht 4 liitrit. Gaas läbib isobaarse protsessi, nii et maht on 6 liitrit, siis isokoorne protsess, nii et rõhk on 1,2 x 105 N / m2. Milline on gaasi siseenergia muutus selle protsessi käigus?
Vastus:
PV = n R T—— ^ P AV + V AP = n R AT
Protsess A - B (AP = 0):
P AV = n R AT = 105. 2,10-3 = 200 J AUBC = 5/2 n R AT = 500 J (diatoomiline 200 ° C)
Protsess: B - C (AV = 0):
VAP = nRAT = 6,10-3,0,2. 105 = 1120 J AUBC = 5/2 n R AT = 300 J (diatoomiline 200 ° C)
Seega kokku AU = AUAB + AUBC = 800 J
Kui gaas surutakse kokku isotermiliselt, määrake gaasi rõhk, siseenergia ja töö!
Vastus:
Surugaas tähendab gaasi mahu vähenemist (AV <0)
SMAN1 MATARAM BURHANUDIN TERMODÜNAAMIKAMOODUL, SPd
Gaasiprotsess tähendab isotermiliselt AT = 0, so: PV = C ——————— ^ P = C / V
Gaasi mahu suurenedes gaasi rõhk suureneb. Selle gaasirõhu tõusu põhjustab sagedasem gaasimolekulide põrkumine koha seintega (gaasimolekulide läbitav vahemaa on lühem) mitte suurenenud kiiruse tõttu.
AU = 3/2 n R AT
Kuna protsess on isotermiline (AT = 0), on siseenergia muutus null. See tähendab, et gaasi siseenergia ei muutu.
AQ = AU + AW ———– ^ AW = P AV
Kuna AU = 0, siis AQ = AW, see tähendab, et gaasi neeldunud soojus muudetakse täielikult gaasitööks. Kuna gaasi maht muutub väiksemaks (DV <0), on gaasi tehtud töö negatiivne (AW Carnoti mootoril, mille temperatuur on 1000 ° K, on temperatuur 50%. Efektiivsuse suurenemiseks 60% -ni, kui palju tuleb kõrgtemperatuuri reservuaari tõsta? Vastus: h = 1-T2 / T1 - ^ 0,5 = 1 T2 / 1000, seega T2 = 500 ° K Kui efektiivsus on 60% (T2 konstandiga), siis h = 1 - T2 / T1 - ^ 0,6 = 1 - 500 / T2, seega T1 = 12,50 ° K See on täielik ülevaade. Loodetavasti on ülaltoodust lugejate jaoks kasulik. See on kõik ja aitäh.