Термодинамика: 1 2 3 Закона термодинамики, формулы, примеры задач
Определение термодинамики
Термодинамика происходит от греческого языка, где термос означает тепло, а динамика означает изменение. Термодинамика - это наука, которая описывает усилия по преобразованию тепла (передача энергии из-за разницы температур) в энергию и ее поддерживающие свойства. Термодинамика тесно связана с физикой энергии, тепла, работы, энтропии и спонтанности процессов.
Также читайте статьи, которые могут быть связаны:Закон Гука: определение, применение, звуки и формулы вместе с полными примерами
Термодинамика также связана со статической механикой. Этот раздел физики изучает обмен энергией в виде тепла и работы, ограничивающие системы и окружающую среду. Применение и применение термодинамики может происходить в человеческом теле, при выдувании горячего кофе, электронных приборах, холодильниках, автомобилях, электростанциях и в промышленности.
Принципы термодинамики
Принцип термодинамики - это естественная вещь, которая случается в повседневной жизни. С развитием науки и технологий термодинамика спроектирована таким образом, что становится формой механизма, который может помочь людям в их деятельности.
Также читайте статьи, которые могут быть связаны:Закон Архимида: определение, звуки, формулы и примеры законченных задач
Столь широкое применение термодинамики возможно благодаря развитию термодинамики с 17 века. Развитие науки термодинамики начинается с макроскопического подхода, а именно с общего поведения частиц материи, которые являются носителями энергии.
Термодинамическая система
Классификация термодинамических систем на основе характера границ и потока вещества, энергии и вещества через них. Существует три типа систем в зависимости от типа обмена, который происходит между системой и ее средой, а именно:
1. Открытая система
Система, которая вызывает обмен энергии (тепла и работы) и предметов (материи) с окружающей средой. Эта открытая система включает оборудование, которое включает в себя поток массы в систему или из нее, такое как компрессоры, турбины, форсунки и двигатели внутреннего сгорания.
Система двигателя внутреннего сгорания - это пространство в цилиндре двигателя, где смесь топлива и воздуха входит в цилиндр, а выхлопные газы выходят из системы. В этой открытой системе и масса, и энергия могут пересекать границу проницаемой системы. Таким образом, в этой системе громкость системы не изменяется, поэтому ее также называют контрольной громкостью.
Для анализа системы мы используем следующие соглашения:
- Ибо тепло (Q) положительно, если оно передается системе, и отрицательно, если оно покидает систему.
- Для работы (W) положительно, если она выходит из системы, и отрицательно, если она задана (введена) в систему.
Также читайте статьи, которые могут быть связаны: Законы Кеплера 1 2 3: история, звуки, функции, формулы и примеры законченных задач
2. Закрытая система
Система, которая приводит к обмену энергией (теплом и работой), но не обменивается веществами с окружающей средой. Замкнутая система состоит из определенного количества массы, и эта масса не может пересечь пограничный слой системы. Однако энергия в виде тепла и работы может пересекать пограничный слой системы.
В закрытой системе, хотя масса не может измениться во время процесса, объем может измениться. из-за наличия движущегося пограничного слоя в одной части системы пограничного слоя батас что. Примером закрытой системы является нагретый воздушный шар, в котором масса воздуха в воздушном шаре остается постоянной, но его объем изменяется, и тепловая энергия входит в массу воздуха внутри воздушного шара.
Также читайте статьи, которые могут быть связаны: Законы Ньютона 1, 2, 3: определение, звуки, формулы и примеры задач
Как показано на изображении замкнутой системы ниже, если к системе подводится тепло (Qin), в системе будет происходить расширение веществ. Это расширение приведет к выталкиванию поршня вверх (происходит Wout). Поскольку эта система не допускает попадания какой-либо массы в систему и из нее (масса всегда постоянна), эта система называется контролем массы.
Система может подвергаться теплообмену или работе, или тому и другому, что обычно считается ее ограничивающим свойством:
- Адиабатический барьер: не допускает теплообмена.
-
Жесткий барьер: не разрешает обмен вакансиями.
Также известные как стены, есть два типа стен, а именно адиабатические стены и диатермические стены. Адиабатические стенки - это стенки, которые заставляют оба вещества достигать одинаковой температуры за долгое (медленное) время. Для идеальной адиабатической стенки невозможно обмен тепла между двумя веществами. В то время как диатермическая стенка - это стена, которая позволяет обоим веществам достигать одинаковой температуры за короткое время (быстро).
Также читайте статьи, которые могут быть связаны: Электромагнитная индукция: определение, применение и формулы вместе с полными примерами проблем
3. Изолированная система
Изолированная система - это система, которая не вызывает обмена тепла, вещества или работы с окружающей средой. Например: вода хранится в термосах и газовых баллонах. На самом деле система не может быть полностью изолирована от своего окружения, потому что обязательно будет некоторое перемешивание, даже если допустимо лишь небольшое гравитационное притяжение. В изолированном системном анализе энергия, поступающая в систему, равна энергии, покидающей систему.
Характеристики, определяющие свойства системы, называются свойствами (координаты системы / переменные состояния). система), такие как давление (p), температура (T), объем (v), масса (m), вязкость, теплопроводность и и т.п. Кроме того, существуют также системы координат, определенные из других систем координат, таких как удельный вес, удельный объем, удельная теплоемкость и другие.
Система может существовать в состоянии, которое не меняется, если каждый тип системы координат может быть измерен во всех своих частях и не отличается по величине. Это состояние обозначается как
определенное состояние системы, при котором система имеет фиксированное значение координаты. Если координаты меняются, то считается, что состояние системы изменилось. Система, не меняющая своего состояния, называется системой, находящейся в равновесии.
Законы термодинамики
У термодинамики есть свои поддерживающие законы. Эти законы объясняют, как и на какие концепции обращать внимание. Например, события теплопередачи и работы в термодинамических процессах.
С момента своей формулировки эти законы стали важными законами в мире физики, связанными с термодинамикой. Применение этих законов также используется в различных областях, таких как наука об окружающей среде, автомобилестроение, пищевая промышленность, химия и другие. Вот законы термодинамики:
1 Закон термодинамики
(Сохранение энергии в системе)
Энергия не может быть ни создана, ни уничтожена. Люди могут только менять форму энергии с одной формы энергии на другую. В термодинамике, если чему-то выделяется тепло, то это тепло будет полезно для внешней работы и изменения внутренней энергии.
Звук законов термодинамики 1
«Для каждого процесса, если в систему подается тепло Q и система действительно работает W, будет изменение внутренней энергии U = Q - W».
Где U указывает на природу системы, а W и Q - нет. W и Q не являются функциями переменных состояния, но включены в термодинамические процессы, которые могут изменять состояние. U является функцией переменных состояния (P, V, T, n). W положительно, если система действительно воздействует на окружающую среду, и отрицательно, если она допускает экологическую работу.
Q положительно, если система получает тепло из окружающей среды, и отрицательно, если оно отдает тепло в окружающую среду. Изменение энергии системы зависит только от передачи тепла в систему и работы, выполняемой системой, и не зависит от происходящих процессов. В этом законе нет указания направления изменения и других ограничений.
1 формула закона термодинамики
Математически первый закон термодинамики можно сформулировать следующим образом:
Q = U + W
При условии, если:
Q (+) → система получает тепло kalo
ИЛИ → система выделяет тепло
W (+) → система работает
W (-) → система работает
U (+) → наблюдается увеличение внутренней энергии
U (-) → уменьшение внутренней энергии
U = Q Вт
Информация :
U = изменение внутренней энергии (джоули)
Q = тепло (джоули)
W = работа (джоули)
Процессы
Изобар → постоянное давление
Изотермический → постоянная температура → U = 0
Изохорный → фиксированный объем (или изоволюмический, или изометрический) → W = 0
Адиабатический → без теплообмена → Q = 0
Цикл → цикл → U = 0
Уравнение состояния газа
Закон Гей-Люссака
Фиксированное давление → V / T = Постоянное → V1 / T1 = V2 / T2
Закон Чарльза
Фиксированный объем → P / T = Постоянный → P1 / T1 = P2 / T2
Закон Бойля
Фиксированная температура → PV = Постоянная → P1V1 = P2V2
P, V, T изменено (неадиабатическое)
(P1V1) / (T1) = (P2V2) / (T2)
Адиабатис
P1V1 = P2V2γ
T1V1 1 = T2V2γ 1
= отношение удельной теплоемкости газа при постоянном давлении и постоянном объеме → = Cp / Cv
Усилие
W = P (ΔV) → Изобар
W = 0 → Изохорис
W = nRT ln (V2 / V1) → Изотермический
W = 3/2 nRΔT → Адиабатический (одноатомный газ)
Информация :
T = температура (Кельвин, а не Цельсий)
P = давление (Па = Н / м2)
V = объем (м3)
n = количество молей
1 литр = 10−3м3
1 атм = 105 Па (или следите за вопросом!)
Если в задаче неизвестно, принимаем значение ln 2 = 0,693.
Двигатель Карно Месин
= (1 Tr / Tt) x 100%
= (Вт / 1 квартал) x 100%
W = Q1 Q2
Информация :
= КПД двигателя Карно (%)
Tr = низкая пластовая температура (Кельвин)
Tt = высокая пластовая температура (Кельвин)
W = работа (джоули)
Q1 = тепло в / поглощенном высоком резервуаре (джоули)
Q2 = теплоотвод / выхлоп из низкого резервуара (джоули)
Пример проблем
Газ, имеющий начальный объем 2,0 м3, нагревается в изобарических условиях до тех пор, пока его конечный объем не достигнет 4,5 м3. Если давление газа 2 атм, какова внешняя работа газа?
(1 атм = 1,01 x 105 Па)
Обсуждение
Известен :
V2 = 4,5 м3
V1 = 2,0 м3
P = 2 атм = 2,02 x 105 Па
Изобар → Фиксированное давление
Спросил W ??
Ответил:
W = P (ΔV)
W = P (V2 V1)
W = 2,02 x 105 (4,5 2,0) = 5,05 x 105 джоулей
2 Закон термодинамики
(Направление реакции системы и ограничения)
Этот второй закон ограничивает, какие изменения энергии могут произойти, а какие нет. Это ограничение выражается по-разному, а именно:
«Второй закон термодинамики гласит, что тепло самопроизвольно течет от высокотемпературного объекта к низкотемпературному объекту, а не самопроизвольно течет в противоположном направлении»
Второй закон термодинамики в утверждениях о тепловых двигателях
Невозможно построить тепловой двигатель, работающий по циклу, который просто поглощает тепло из резервуара и полностью преобразует его во внешнюю работу.
Второй закон термодинамики в утверждении энтропии (термодинамическая величина, которая сопровождает изменение в каждом состоянии от начала до конца системы и выражает беспорядок в системе)
Полная энтропия Вселенной не изменяется, когда происходит обратимый процесс, и увеличивается, когда происходит необратимый процесс.
3 Закон термодинамики
Третий закон термодинамики касается абсолютного нуля температуры. Этот закон гласит, что когда система достигает абсолютного нуля температуры (температуры Кельвина), все процессы останавливаются и энтропия Система приблизится к минимальному значению.Этот закон также гласит, что энтропия тела с идеальной кристаллической структурой равна абсолютному нулю. равно нулю.
ЦИКЛ РАНКИН
Цикл Ренкина термодинамический цикл, преобразующий тепло быть работой. Тепло подается снаружи замкнутым потоком, который обычноиспользуя воду как движущуюся жидкость. Этот цикл производит 80%вся электроэнергия, производимая во всем мире. Этот цикл назван в честь памяти шотландского ученого Уильяма Джона Маккуорна Рэнкина.
Цикл Ренкина - это обычная рабочая модель горячего парового двигателя.найдено в электростанциях. Основной источник тепла для цикла Ренкинауголь, природный газ, нефть, атомная энергия и солнечное тепло.
Цикл Ренкин иногда иногда известный как практический цикл Карно, когдаэффективная турбина, Т-диаграмма начнет напоминать цикл Карно.Основное отличие состоит в том, что для подачидавление жидкости вместо газа. Требуется примерно в 100 раз меньшеэнергии, чем сжатие газа в компрессоре (например,в цикле Карно).
термодинамический цикл преобразует тепло в профессия. Тепло подается извне для замкнутого контура,которые обычно используют воду в качестве жидкости. Этот цикл производитоколо 80% всей потребляемой электроэнергии.
Жидкость в цикле Ренкина следует замкнутому потоку и используетсяпостоянный. В этом цикле могут использоваться различные типы жидкостей, но выбирается вода.Из-за различных физических и химических характеристик, таких как нетоксичность, естьоптом и дешево.
В идеальном цикле Ренкина насос и турбина изоэнтропичны, что означает, что насосы и турбины не производят энтропии и увеличивают производительностьРабота. В истинном цикле Ренкина сжатие насосом и расширениев неизэнтропической турбине.
Другими словами, этот процесс не чередуется. вернуться и энтропия увеличивается во время процесса. Это увеличивает требуемую мощностьнасосом и снижает энергию, вырабатываемую турбиной. В частности,КПД турбины будет ограничен образованием точки точка воды при расширении дотурбина из-за конденсации.
Точка эти капли воды ударяются о турбину, вызывая эрозиюи коррозия, уменьшающая срок службы турбины и ее КПД. Самый простой способ всправиться с этим - нагреть его до очень высокой температуры.высокая.
Термодинамический КПД можно получить, увеличивая температуру ввод цикла. Есть несколько способов повысить эффективность циклаРэнкин. Цикл Ренкина с повторным нагревом. В этом цикле две турбины работать поочередно.
Первыми получат пар из котла под давлениемвысокая. После того, как пар пройдет через первую турбину, пар войдет в котел иповторно нагревается перед входом во вторую турбину, которая имеет более низкое давление.Преимущества, которые можно получить, включают предотвращение конденсации пара во времярасширение, которое может привести к повреждению турбины и повысить эффективностьтурбина.
Регенеративный цикл Ренкина. Концепция почти такая же, как и концепция повторного нагрева. Чторазница - пар, прошедший через вторую турбину и конденсатор будет смешиваться с паром, который не прошел через вторую турбину. Смешивание происходит под одинаковым давлением и приводит к смешиваниютемпература. Это сделает первичный обогрев более эффективным.
Процесс цикла Ренкина
Цикл Ренкина - это калорийный двигатель, в котором водяной пар движется цикл. Самая распространенная активная жидкость - это вода. Цикл состоит из четырех процессов, каждыйцикл изменяет состояние жидкости (давление и / или состояние).
-
Процесс 1: Жидкость перекачивается от низкого до высокого давления в виде жидкость. Этот процесс требует небольших затрат энергии.
-
Процесс 2: Жидкость под высоким давлением поступает в котел, где жидкость нагревается.испаряться при постоянном давлении до насыщенного пара.
Процесс 3: Насыщенный пар движется к турбине, вырабатывая электрическую энергию. Это делоснизить температуру и давление паров, а также, возможно, немного конденсата происходить.
Процесс 4: Влажный пар поступает в конденсатор, где пар конденсируется впостоянное давление и температура, пока он не станет насыщенной жидкостью.
Примеры задач термодинамики
Пример 1
Дайте объяснение квазистатическому процессу.
Отвечать:
Квазистатический процесс - это процесс, который в любой момент или на любой стадии изменения в системе в целом всегда достигает состояния равновесия. Это означает, что система на каждом этапе процесса все еще может быть записана в уравнении состояния.
Можно также сказать, что квазистатический процесс - это процесс, который представляет собой бесконечную серию состояний равновесия; каждый раз состояние равновесия лишь незначительно отклоняется от предыдущего состояния равновесия.
Пример 2
Объясните и напишите комментарии к следующим утверждениям: Цилиндр, оснащенный поршнем, содержит определенное количество газа. Сверху на поршень помещаются 2 (два) груза массой 1 кг каждый, если взять один груз, то давление и объем газовой системы изменятся.
Как вы думаете, этот пример - квазистатический процесс или неквазистатический процесс?
Отвечать:
Очевидно, что эта система претерпевает неквазистатический процесс, потому что это не серия бесконечно многих состояний равновесия, а только два состояния равновесия, а именно начальное равновесие и конечное равновесие.
Пример 3
Как сделать процесс в примере 2 квазистатическим?
Отвечать:
Чтобы процесс, выполняемый системой в примере 2, был квазистатическим процессом, тогда один из весов должен быть заменен на миллион маленьких весов. Гири общей массой 1 кг и гирьки снимаются по одному, поэтому процесс, которому подвергается система, является процессом квазистатический.
Пример 4
Дайте и напишите объяснение обратимого процесса.
Отвечать:
Обратимый процесс - это процесс перехода от исходного состояния к определенному состоянию и от В конечном состоянии процесс может снова вернуться в исходное состояние через путь тот самый. Таким образом легко, если система подчиняется определенным условиям.
Пример 5
Запишите 2 (два) требования, чтобы процесс можно было назвать обратимым.
Отвечать:
Это квазистатический процесс.
В этом процессе отсутствуют эффекты диссипации.
Пример 6
Дайте и напишите объяснение цикла или цикла.
Отвечать:
Цикл или цикл - это непрерывный процесс, который представляет собой серию процессов, состоящих из нескольких этапов состояния. состояние равновесия в другое состояние равновесия затем возвращается в исходное состояние равновесия, что приводит к преобразованию тепла в работу или вне бизнеса.
Пример 7
Можно ли полностью превратить тепло в работу?
Отвечать:
Полное преобразование тепла в энергию / работу может происходить за один шаг; а именно в процессе изотермического расширения идеальной газовой системы.
- узнать больше, может ли такой процесс быть выгодным? (Внимательно прочтите описание и развивайте свое понимание и рассуждение).
Пример 8
Дайте объяснение теплового двигателя или отопительного двигателя с примерами.
Отвечать:
Тепловая машина / нагревательная машина - это устройство или система, которые функционируют для преобразования тепловой энергии или тепловой энергии в рабочую энергию или механическую энергию. Примером может служить двигатель внутреннего сгорания или взрывной двигатель.
(Завершите свой ответ, перечитав и поняв:
-I- 4 характеристики теплового двигателя / теплового двигателя
-I- Схематический рисунок принципа теплового двигателя или теплового двигателя).
Пример 9
Дайте пояснения к охлаждающей машине, дополните пояснения примерами.
Отвечать:
Холодильный двигатель - это устройство или система, которые работают для передачи тепла от холодного резервуара к горячему за счет внешней работы. Примером может служить холодильник или холодильник.
Пример: 10
Во время изохорного процесса (v = 1 м3) газ получает 1000 калорий тепла, так что давление изменяется на 814 Н / м2. Рассчитайте изменение внутренней энергии газа в процессе. Ответ:
Изохорный процесс: AV = 0, поэтому AW = P. AV = 0 AQ = AU + AW ^ 1000 = AU + 0
Таким образом, изменение энергии в газе = 1000 калорий = 1000 x 4,186 Дж = 4186 Дж.
Двухатомный газ при температуре среды 200 ° C и давлении 105 Н / м2 Объем 4 литра. Газ подвергается изобарическому процессу, так что его объем составляет 6 литров, затем изохорный процесс, так что давление составляет 1,2 x 105 Н / м2. Как изменяется внутренняя энергия газа во время этого процесса?
Отвечать:
PV = n R T—— ^ P AV + V AP = n R AT
Процесс A - B (AP = 0):
P AV = n R AT = 105. 2,10-3 = 200 Дж AUBC = 5/2 n R AT = 500 Дж (двухатомный 200 ° C)
Процесс: B - C (AV = 0):
ВАП = n R В = 6,10-3,0,2. 105 = 1120 Дж AUBC = 5/2 n R AT = 300 Дж (двухатомный 200 ° C)
Итак, всего AU = AUAB + AUBC = 800 Дж.
Если газ сжимается изотермически, определите давление, внутреннюю энергию и работу, совершаемую газом!
Отвечать:
Сжатый газ означает, что объем газа становится меньше (AV <0)
МОДУЛЬ ТЕРМОДИНАМИКИ SMAN1 МАТАРАМ БУРХАНУДИН, СПД
Газовый процесс изотермически означает AT = 0 Итак: PV = C ——————— ^ P = C / V
По мере увеличения объема газа давление газа увеличивается. Это увеличение давления газа вызвано более частыми столкновениями молекул газа со стенками помещения (расстояние, на которое проходят молекулы газа меньше), а не увеличением скорости.
AU = 3/2 n R В
Поскольку процесс изотермический (AT = 0), изменение внутренней энергии равно 0. Это означает, что внутренняя энергия газа не изменяется.
AQ = AU + AW ———– ^ AW = P AV
Поскольку AU = 0, тогда AQ = AW, что означает, что тепло, поглощаемое газом, полностью преобразуется в работу газа. Поскольку объем газа становится меньше (DV <0), то работа, выполняемая газом, отрицательна (AW Двигатель Карно, в котором используется высокотемпературный резервуар с температурой 1000 ° K, имеет КПД 50%. Насколько должен быть увеличен высокотемпературный резервуар, чтобы КПД увеличился до 60%? Отвечать: h = 1-T2 / T1 - ^ 0,5 = 1 T2 / 1000, поэтому T2 = 500 ° K Если КПД составляет 60% (с постоянной T2), то h = 1 - T2 / T1 - ^ 0,6 = 1 - 500 / T2, поэтому T1 = 12,50 ° K Это полный обзор.Надеюсь, то, что рассмотрено выше, будет полезно для читателей. Это все и спасибо.