熱力学:1 2 3熱力学の法則、公式、問題の例

熱力学

熱力学の定義

クイックリードリスト公演
1.熱力学の定義
2.熱力学の法則
3.熱力学系
3.1.1. オープンシステム
3.2.2. 閉鎖系
3.3.3. 隔離されたシステム
4.熱力学の法則
5.1熱力学の法則
5.1.熱力学の第1法則
6.1熱力学の法則
6.1.問題の例
7.2熱力学の法則
8.3熱力学の法則
8.1.サイクルランキン
8.2.ランキンサイクルプロセス
9.熱力学の問題の例
9.1.これを共有:
9.2.関連記事:

熱力学はギリシャ語に由来し、魔法瓶は熱を意味し、力学は変化を意味します。 熱力学は、熱(温度差によるエネルギー伝達)をエネルギーとそのサポート特性に変換する取り組みを説明する科学です。 熱力学は、エネルギー、熱、仕事、エントロピー、およびプロセスの自発性の物理学と密接に関連しています。


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熱力学は静的力学にも関連しています。 この物理学の分野では、熱と仕事の形でエネルギーの交換を研究し、システムと環境を制限します。 熱力学のアプリケーションとアプリケーションは、人体、ホットコーヒーの吹き付けイベント、電子ツール、冷蔵庫、自動車、発電所、および産業で発生する可能性があります。


熱力学の法則

熱力学の法則は、実際には日常生活で起こる自然なことです。 科学技術の発展に伴い、熱力学は人間の活動を助けることができるメカニズムの形になるように設計されています。


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17世紀以降の熱力学の発展により、このような幅広い熱力学の応用が可能になりました。 熱力学の科学の発展は、巨視的なアプローチ、すなわちエネルギー担体である物質の粒子の一般的な振る舞いから始まります。


熱力学系

境界の性質と、境界を通る物質、エネルギー、物質の流れに基づく熱力学系の分類。 システムとその環境の間で発生する交換のタイプに基づいて、次の3つのタイプのシステムがあります。

  • 1. オープンシステム

エネルギー(熱と仕事)と物体(物質)をその環境と交換するシステム。 このオープンシステムには、コンプレッサー、タービン、ノズル、燃焼エンジンなど、システムに出入りする質量流量を伴う機器が含まれます。


エンジン燃焼エンジンシステムは、燃料と空気の混合物がシリンダーに入り、排気ガスがシステムから出るエンジンシリンダー内のスペースです。 このオープンシステムでは、質量とエネルギーの両方が透過性システムの境界を越えることができます。 したがって、このシステムでは、システムのボリュームは変化しないため、コントロールボリュームとも呼ばれます。

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システムの分析に使用する契約は次のとおりです。

  • 熱(Q)は、システムに与えられると正になり、システムから出ると負になります。
  • 仕事の場合(W)は、システムを離れる場合は正であり、システムに与えられる(入る)場合は負です。

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  • 2. 閉鎖系

エネルギー(熱と仕事)の交換をもたらすが、環境と物質を交換しないシステム。 閉鎖系は、この質量がシステムの境界層を越えることができない一定量の質量で構成されます。 ただし、熱と仕事の形のエネルギーは、システムの境界層を越える可能性があります。


閉鎖系では、プロセス中に質量は変化しませんが、体積は変化します システム境界層batasの一部に移動境界層が存在するため それ。 閉鎖系の例は、加熱された熱気球であり、バルーン内の空気の質量は一定のままですが、その体積が変化し、熱エネルギーがバルーン内の空気の質量に入ります。


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下の閉じたシステムの写真のように、システム(秦)に熱が与えられると、システム内の物質が膨張します。 この膨張により、ピストンが押し上げられます(Woutが発生します)。 このシステムは、システムに出入りする質量を許可しないため(質量は常に一定です)、このシステムは質量制御と呼ばれます。


システムは、熱または仕事、あるいはその両方の交換を受ける可能性があり、通常はその制限特性と見なされます。

  • 断熱バリア:熱交換はできません。
  • 堅い障壁:転職はできません。

壁とも呼ばれ、断熱壁と断熱壁の2種類の壁があります。 断熱壁は、両方の物質が長い(遅い)時間で同じ温度に達する原因となる壁です。 完全な断熱壁の場合、2つの物質間で熱を交換することはできません。 一方、断熱壁は、両方の物質が短時間(高速)で同じ温度に到達できるようにする壁です。


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  • 3. 隔離されたシステム

隔離されたシステムとは、熱や物質の交換を引き起こさず、環境と連携しないシステムです。 例:魔法瓶や断熱ガスボンベに貯められた水。 実際には、わずかな引力しか受け入れられない場合でも、ある程度の混合が発生するため、システムを周囲から完全に分離することはできません。 孤立したシステム分析では、システムに入るエネルギーはシステムから出るエネルギーに等しくなります。


システムのプロパティを決定する特性は、プロパティ(システム座標/状態変数)と呼ばれます。 システム)、圧力(p)、温度(T)、体積(v)、質量(m)、粘度、熱伝導、 等 さらに、比重、比容積、比熱などの他の座標系から定義された座標系もあります。


各タイプの座標系をすべての部分で測定でき、値に違いがなければ、システムは変化しない状態で存在できます。 この状態は、


システムの特定の状態。システムの座標値は固定されています。 座標が変化すると、システムの状態が変化したと言われます。 状態が変化しないシステムは、平衡状態のシステムと呼ばれます。


熱力学の法則

熱力学にはそれを支持する法則があります。 これらの法律は、どのような概念に注意を払うべきかを説明しています。 熱伝達のイベントや熱力学的プロセスでの作業など。


それらの定式化以来、これらの法則は熱力学に関連する物理学の世界で重要な法則になりました。 これらの法律の適用は、環境科学、自動車、食品科学、化学などのさまざまな分野でも使用されています。 熱力学の法則は次のとおりです。


1熱力学の法則

(システム内のエネルギー保存)

エネルギーは生成も破壊もできません。 人間はエネルギーの形をある形のエネルギーから別の形に変えることしかできません。 熱力学では、何かに熱が与えられると、その熱は外部の仕事や内部エネルギーの変化に役立ちます。


  • 熱力学の法則の音 1

「各プロセスで、熱Qがシステムに与えられ、システムがWで動作する場合、内部エネルギーU = Q-Wに変化があります」。


ここで、Uはシステムの性質を示しますが、WとQは示しません。 WとQは状態変数の関数ではありませんが、状態を変化させる可能性のある熱力学的プロセスに含まれています。 Uは、状態変数(P、V、T、n)の関数です。 Wは、システムが環境で機能する場合は正であり、環境作業を受け入れる場合は負です。


Qは、システムが周囲から熱を受け取る場合は正であり、周囲に熱を放出する場合は負です。 システムのエネルギー変化は、システムへの熱の伝達とシステムによって行われる作業にのみ依存し、発生するプロセスには依存しません。 この法律では、変更の方向やその他の制限については何も示されていません。


1熱力学の法則

数学的には、熱力学の第1法則は次のように定式化できます。

Q = U + W

次の場合に提供されます。
Q(+)→システムは熱カロを受け取ります
または→システムが熱を放出する
W(+)→システムは機能します
W(-)→システムは作業中
U(+)→内部エネルギーが増加している
U(-)→内部エネルギーの減少

U = Q W


情報 :
U =内部エネルギーの変化(ジュール)
Q =熱(ジュール)
W =仕事(ジュール)


プロセス
同重体→定圧
等温→恒温→U = 0
等容性→固定体積(または等容性または等尺性)→W = 0
断熱→熱交換なし→Q = 0
サイクル→サイクル→U = 0

ガスの状態方程式

ゲイ・リュサック法
固定圧力→V / T =一定→V1 / T1 = V2 / T2

シャルルの法則
固定容量→P / T =一定→P1 / T1 = P2 / T2

ボイルの法則
固定温度→PV =一定→P1V1 = P2V2

P、V、Tが変更されました(非断熱)
(P1V1)/(T1)=(P2V2)/(T2)


断熱
P1V1 =P2V2γ
T1V1 1 =T2V2γ1
=一定の圧力と一定の体積でのガスの比熱比→= Cp / Cv

努力
W = P(ΔV)→同重体
W = 0→Isochoris
W = nRT ln(V2 / V1)→等温
W = 3 /2nRΔT→断熱(単原子ガス)

情報 :
T =温度(摂氏ではなくケルビン)
P =圧力(Pa = N / m2)
V =体積(m3)
n =モル数
1リットル= 10−3m3
1 atm = 105 Pa(または質問に従ってください!)
問題で不明な場合は、ln 2 = 0.693の値を取ります。


カルノーエンジンメシン
=(1 Tr / Tt)x 100%
=(W / Q1)x 100%
W = Q1 Q2

情報 :
=カルノーエンジン効率(%)
Tr =低いリザーバー温度(ケルビン)
Tt =高いリザーバー温度(ケルビン)
W =仕事(ジュール)
Q1 =高リザーバー内の熱/吸収された高リザーバー(ジュール)
Q2 =ヒートアウト/低リザーバー排気(ジュール)


問題の例

初期体積が2.0m3のガスは、最終体積が4.5m3になるまで等圧条件下で加熱されます。 ガス圧が2気圧の場合、ガスの外部作用はどうなりますか?
(1気圧= 1.01 x 105 Pa)

討論

知られている :
V2 = 4.5 m3
V1 = 2.0 m3
P = 2 atm = 2.02 x 105 Pa
アイソバー→固定圧力

尋ねられた W ??

回答済み:

W = P(ΔV)
W = P(V2 V1)
W = 2.02 x 105(4.5 2.0)= 5.05 x105ジュール


2熱力学の法則

(システムの反応方向と制約)

この第2法則は、どのエネルギー変化が発生する可能性があり、どのエネルギー変化が発生しないかを制限します。 この制限は、さまざまな方法で説明されています。


「熱力学の第二法則は、熱は高温の物体から低温の物体に自発的に流れ、反対方向には自発的に流れないことを示しています。」


熱機関に関する記述における熱力学の第二法則
単にリザーバーから熱を吸収し、それを完全に外部の仕事に変換するサイクルで動作する熱機関を構築することは不可能です。


エントロピーのステートメントにおける熱力学の第二法則(システムの最初から最後までのすべての状態の変化に伴い、システムの無秩序を表す熱力学量)
宇宙の総エントロピーは、可逆プロセスが発生しても変化せず、不可逆プロセスが発生すると増加します。


3熱力学の法則

熱力学の第3法則は、絶対零度を扱います。 この法則は、システムが絶対零度(ケルビン温度)に達すると、すべてのプロセスが停止し、エントロピーが停止することを示しています。 システムは最小値に近づきます。この法則は、完全結晶構造を持つ物体のエントロピーが絶対零度にあることも示しています。 はゼロです。


サイクルランキン

ランキンサイクルは 熱を変換する熱力学的サイクル 仕事になります。 熱は閉じた流れで外部に供給されますが、これは通常移動する流体として水を使用します。 このサイクルは80%を生成します世界中で生成されたすべての電気エネルギー。 このサイクルの名前は スコットランドの科学者、ウィリアム・ジョン・マクコーン・ランキンを偲んで。


ランキンサイクルは、一般的な高温蒸気エンジンの動作モデルです。発電所で見つかりました。 ランキンサイクルの主な熱源石炭、天然ガス、石油、原子力、太陽熱です。


サイクル 時々ランキン 実用的なカルノーサイクルとして知られることもあります。効率的なタービンが使用されると、Tダイアグラムはカルノーサイクルに似たものになり始めます。主な違いは、ポンプを使用して配送することです気体の代わりに液圧。 必要な量は約100分の1ですコンプレッサーでガスを圧縮するエネルギーよりもエネルギー(カルノーサイクルで)。

熱力学的サイクルは熱をに変換します 職業。 熱は閉ループのために外部から供給され、これは一般的に水を液体として使用します。 このサイクルは全電力の約80%を使用しています。


ランキンサイクルの流体は閉じた流れに従い、使用されます絶え間ない。 このサイクルではさまざまな種類の流体を使用できますが、水が選択されます非毒性などのさまざまな物理的および化学的特性により、まとめて、そして安い。


理想的なランキンサイクルでは、ポンプとタービンは等エントロピーであり、 ポンプとタービンがエントロピーを生成せず、出力を最大化することを意味します作業。 真のランキンサイクルでは、ポンプによる圧縮と膨張非等エントロピータービンで。


言い換えれば、このプロセスは交互ではありません 戻って エントロピーはプロセス中に増加します。 これにより、必要な電力が増加しますポンプによってそしてタービンによって生成されるエネルギーを減らします。 特に、タービン効率は、ポイントの形成によって制限されます に拡張中のウォーターポイント結露によるタービン。


ポイント これらの水滴がタービンに衝突し、浸食を引き起こします腐食、タービン寿命とタービン効率の低下。 で最も簡単な方法これに対処することはそれを非常に高温に加熱することです高い。


温度を上げることで熱力学的効率が得られます サイクルの入力。 サイクル効率を上げるにはいくつかの方法がありますランキン。 再加熱を伴うランキンサイクル。 このサイクルでは、2つのタービン 交互に働きます。

圧力でボイラーから蒸気を最初に受け取る高い。 蒸気が最初のタービンを通過した後、蒸気はボイラーに入り、低圧である2番目のタービンに入る前に再加熱されます。得ることができる利点には、蒸気が凝縮するのを防ぐことが含まれますタービンの損傷を引き起こし、効率を高める可能性のある膨張タービン。


ランキン再生サイクルコンセプトは再加熱のコンセプトとほぼ同じです。 それ違いは、2番目のタービンと復水器を通過した蒸気です 2番目のタービンを通過しなかった蒸気の一部と混合します。 混合は同じ圧力下で発生し、混合が発生します温度。 これにより、一次加熱がより効率的になります。

ランキンサイクルプロセス

ランキンサイクルは、水蒸気が駆動する熱空気エンジンです。 サイクル。 最も一般的なアクティブ流体は水です。 サイクルは4つのプロセスで構成され、それぞれがサイクルは、流体の状態(圧力および/または状態)を変更します。

  • プロセス1: 流体は、低圧から高圧に次の形でポンプで送られます。 液体。 このプロセスは、エネルギーの入力をほとんど必要としません。

  • プロセス2: 高圧液体はボイラーに入り、そこで流体が加熱されます一定圧力で蒸気になり、飽和蒸気になります。

    プロセス3: 飽和蒸気はタービンに向かって移動し、電気エネルギーを生成します。 本件温度と蒸気圧を下げ、おそらく少し結露もします 発生する。


    プロセス4: 湿った蒸気は復水器に入り、そこで蒸気が凝縮されます。飽和液体になるまで一定の圧力と温度。


熱力学の問題の例

例1

準静的プロセスについて説明します

回答:

準静的プロセスとは、システム全体の変化の任意の時点または任意の段階で、常に平衡状態に達するプロセスです。 これは、プロセスの各段階のシステムが状態方程式で記述できることを意味します。


準静的プロセスは、無限の一連の平衡状態であるプロセスであるとも言えます。 平衡状態が前の平衡状態からわずかに逸脱するたびに。


例2

次のステートメントについて説明し、コメントを書き込んでください。ピストンを備えたシリンダーには、一定量のガスが含まれています。 ピストンの上部には、それぞれ1 kgの質量を持つ2つの重りが配置されています。1つの重りを取ると、ガスシステムの圧力と体積が変化します。

この例は準静的プロセスですか、それとも非準静的プロセスですか。


回答:

このシステムは、一連の無限に多くの平衡状態ではなく、初期平衡と最終平衡の2つの平衡状態しかないため、明らかに非準静的プロセスを経ます。


例3

例2のプロセスを準静的プロセスにする方法は?


回答:

例2のシステムによって実行されるプロセスが準静的プロセスであるためには、ウェイトの1つを100万個の小さなウェイトに置き換える必要があります。 総質量1kgの分銅と小さいおもりを1つずつ取りますので、システムが行う工程は工程です。 準静的。


例4

可逆プロセスの説明を与えて書いてください。

回答:

可逆プロセスとは、初期状態から特定の状態へのプロセスです。 最終状態では、プロセスがパスを介して再び初期状態に戻る可能性があります。 同じもの。 システムが特定の条件にさらされている場合、このような方法で簡単に。


例5

プロセスが可逆的であると言われるように、2つの要件を書き留めます。

回答:

このプロセスは準静的プロセスです

このプロセスでは、散逸効果はありません


例6

サイクルまたはサイクルの説明を与えて書いてください。

回答:

サイクルまたはサイクルは、状態のいくつかの段階で構成される一連のプロセスである連続プロセスです。 次に、平衡状態から別の平衡状態に戻り、元の平衡状態に戻ります。その結果、熱が仕事に変換されます。 社外事業。


例7

熱を完全に仕事に変換することは可能ですか?

回答:

1つのステップで熱をエネルギー/仕事に完全に変換することができます。 つまり、理想気体システムの等温膨張プロセスです。

–詳細を見る、そのようなプロセスは有益でしょうか? (説明を注意深く読み直し、洞察と推論を​​発展させてください)。


例8

例を挙げて、熱機関または熱機関の説明をします

回答:

熱エンジン/加熱機は、熱エネルギーまたは熱エネルギーをビジネスエネルギーまたは機械エネルギーに変換するように機能するデバイスまたはシステムです。 例としては、燃焼エンジンや爆発モーターがあります。

(読み直して理解することにより、あなたの答えを完成させてください:

-I-熱機関/加熱エンジンの4つの特性

-I-熱機関または加熱エンジンの原理の概略図)。


例9

冷凍機の説明をし、例を挙げて説明を完成させます。

回答:

冷凍エンジンは、外部の仕事を使用して、低温のリザーバーから高温の​​リザーバーに熱を伝達するように機能するデバイスまたはシステムです。 例は冷蔵庫または冷蔵庫です。


例:10

定積過程(v = 1 m3)の間、ガスは1000カロリーの熱を受け取るため、圧力は814 N / m2変化します。 プロセス中のガスの内部エネルギーの変化を計算します。回答:

定積過程:AV = 0なので、AW = P。 AV = 0 AQ = AU + AW ^ 1000 = AU + 0


したがって、ガスのエネルギーの変化= 1000カロリー= 1000 x 4.186 J = 4186J

中温200°C、圧力105 N / mの二原子ガス2 容量は4リットル。 ガスは、体積が6リットルになるように等圧プロセスを経てから、圧力が1.2 x10になるように等圧プロセスを経ます。5 N / m2. このプロセス中のガスの内部エネルギーの変化は何ですか?



回答:

PV = n R T- ^ P AV + V AP = n R AT

プロセスA– B(AP = 0):

P AV = n R AT = 105。 2.10-3 = 200 J AUBC = 5/2 n R AT = 500 J(二原子200°C)

プロセス:B – C(AV = 0):

VAP = n R AT = 6.10-3.0,2。 105 = 1120 J AUBC = 5/2 n R AT = 300 J(二原子200°C)

したがって、合計AU = AUAB + AUBC = 800 J


ガスが等温的に圧縮されている場合は、圧力、内部エネルギー、およびガスによって行われる仕事を決定してください。

回答:

圧縮ガスとは、ガスの体積が小さくなっていることを意味します(AV <0)

SMAN1 MATARAM BURHANUDIN、SPdの熱力学モジュール

ガスプロセスは等温的にAT = 0を意味します。したがって、PV = C ——————— ^ P = C / V


ガスの体積が増加すると、ガスの圧力が増加します。 このガス圧の上昇は、速度の上昇によるものではなく、ガス分子がその場所の壁に衝突する頻度が高い(ガス分子が移動する距離が短い)ために発生します。


AU = 3/2 n R AT

プロセスは等温(AT = 0)であるため、内部エネルギーの変化はゼロです。これは、ガスの内部エネルギーが変化しないことを意味します。

AQ = AU + AW ———– ^ AW = P AV


AU = 0、AQ = AWであるため、ガスによって吸収された熱は完全にガス仕事に変換されます。 ガスの体積が小さくなっているため(DV <0)、ガスによって行われる仕事は負(AW


1000°Kの高温リザーバーを使用するカルノーエンジンの効率は50%です。 効率を60%に上げるには、高温リザーバーをどれだけ増やす必要がありますか?

回答:

h = 1-T2 / T1 — ^ 0,5 = 1 T2 / 1000したがって、T2 = 500°K効率が60%(T2定数の場合)の場合、h = 1 – T2 / T1 — ^ 0.6 = 1 – 500 / T2なので、T1 = 12.50°K


これが完全なレビューです。上でレビューした内容が読者の役に立つことを願っています。 以上でよろしくお願いします。