Termodinamika: 1 2 3 Zakoni termodinamike, formule, primeri problemov
Opredelitev termodinamike
Termodinamika prihaja iz grščine, kjer termos pomeni toploto, dinamika pa spremembo. Termodinamika je znanost, ki opisuje prizadevanja za pretvorbo toplote (prenos energije zaradi temperaturnih razlik) v energijo in njene nosilne lastnosti. Termodinamika je tesno povezana s fiziko energije, toplote, dela, entropije in spontanosti procesov.
Preberite tudi članke, ki so lahko povezani:Hookeov zakon: definicija, uporaba, zvoki in formule skupaj s popolnimi primeri
Termodinamika je povezana tudi s statično mehaniko. Ta veja fizike preučuje izmenjavo energije v obliki toplote in dela, omejevanje sistemov in okolja. Aplikacije in aplikacije termodinamike se lahko pojavijo v človeškem telesu, vročih pihah kave, elektronskih orodjih, hladilnikih, avtomobilih, elektrarnah in industriji.
Načela termodinamike
Načelo termodinamike je pravzaprav naravna stvar, ki se dogaja v vsakdanjem življenju. Z razvojem znanosti in tehnologije je termodinamika zasnovana tako, da postane oblika mehanizma, ki lahko pomaga ljudem pri njihovih dejavnostih.
Preberite tudi članke, ki so lahko povezani:Archimidov zakon: definicija, zvoki, formule in primeri popolnih problemov
Tako široka uporaba termodinamike je možna zaradi razvoja termodinamike od 17. stoletja. Razvoj znanosti o termodinamiki se začne z makroskopskim pristopom, in sicer s splošnim vedenjem delcev snovi, ki so nosilci energije.
Termodinamični sistem
Klasifikacija termodinamičnih sistemov glede na naravo meja in pretok snovi, energije in snovi skozi njih. Obstajajo tri vrste sistemov, ki temeljijo na vrsti izmenjave med sistemom in njegovim okoljem, in sicer:
1. Odprti sistem
Sistem, ki povzroča izmenjavo energije (toplote in dela) in predmetov (snovi) s svojim okoljem. Ta odprt sistem vključuje opremo, ki vključuje masni pretok v sistem ali iz njega, kot so kompresorji, turbine, šobe in motorji z notranjim zgorevanjem.
Sistem motorja z notranjim zgorevanjem je prostor v valju motorja, kjer mešanica goriva in zraka vstopi v valj, izpušni plini pa iz sistema. V tem odprtem sistemu lahko tako masa kot energija prehajata mejo prepustnega sistema. Tako se v tem sistemu glasnost sistema ne spreminja, zato se imenuje tudi nadzorna glasnost.
Dogovori, ki jih uporabljamo za analizo sistema, so:
- Kajti toplota (Q) je pozitivna, če je dana sistemu, in negativna, če zapusti sistem
- Za delo (W) je pozitivno, če zapusti sistem, in negativno, če je dano (vneseno) v sistem.
Preberite tudi članke, ki so lahko povezani: Keplerjevi zakoni 1 2 3: Zgodovina, zvoki, funkcije, formule in primeri popolnih problemov
2. Zaprti sistem
Sistem, ki ima za posledico izmenjavo energije (toplote in dela), snovi pa ne izmenjuje z okoljem. Zaprti sistem je sestavljen iz določene mase, kjer ta masa ne more prečkati mejne plasti sistema. Vendar pa lahko energija v obliki toplote in dela prečka mejno plast sistema.
V zaprtem sistemu, čeprav se masa med postopkom ne more spremeniti, se lahko glasnost spremeni zaradi prisotnosti gibljive mejne plasti v enem delu sistemske mejne plasti batas to. Primer zaprtega sistema je ogrevan balon z vročim zrakom, kjer masa zraka v balonu ostane konstantna, vendar se njegova prostornina spreminja in toplotna energija vstopa v maso zraka znotraj balona.
Preberite tudi članke, ki so lahko povezani: Newtonovi zakoni 1, 2, 3: Definicija, zvoki, formule in primeri problemov
Kot je prikazano na spodnji sliki zaprtega sistema, bo v primeru, da bo sistem dobil toploto (Qin), prišlo do širjenja snovi v sistemu. Zaradi te razširitve bo bat potisnjen navzgor (pojavi se Wout). Ker ta sistem ne dovoljuje nobene mase v sistemu in iz njega (masa je vedno konstantna), se temu sistemu reče nadzor mase.
Sistem lahko opravi izmenjavo toplote ali dela ali oboje, kar se običajno šteje za njegovo omejujočo lastnost:
- Adiabatska pregrada: ne dovoljuje izmenjave toplote.
-
Toga pregrada: ne dovoljuje zamenjave službe.
Znani tudi kot stene, obstajata dve vrsti sten, in sicer adiabatske stene in diatermične stene. Adiabatske stene so stene, zaradi katerih obe snovi v dolgem (počasnem) času dosežeta enako temperaturo. Za popolno adiabatsko steno ni mogoče izmenjati toplote med obema snovma. Medtem ko je diatermična stena stena, ki omogoča, da obe snovi v kratkem času (hitro) dosežeta enako temperaturo.
Preberite tudi članke, ki so lahko povezani: Elektromagnetna indukcija: opredelitev, uporaba in formule skupaj s popolnimi primeri problemov
3. Izoliran sistem
Izoliran sistem je sistem, ki ne povzroča izmenjave toplote, snovi ali dela s svojim okoljem. Na primer: voda, shranjena v termo in izoliranih plinskih jeklenkah. V resnici sistema ni mogoče popolnoma izolirati od okolice, ker bo zagotovo prišlo do mešanja, četudi je sprejemljiv le majhen gravitacijski vlek. Pri analizi izoliranega sistema je energija, ki vstopa v sistem, enaka energiji, ki zapusti sistem.
Značilnosti, ki določajo lastnosti sistema, se imenujejo lastnosti (sistemske koordinate / spremenljivke stanja). sistem), kot so tlak (p), temperatura (T), prostornina (v), masa (m), viskoznost, prevodnost toplote in itd. Poleg tega obstajajo tudi koordinatni sistemi, opredeljeni iz drugih koordinatnih sistemov, kot so specifična teža, specifična prostornina, specifična toplota in drugi.
Sistem lahko obstaja v stanju, ki se ne spremeni, če je mogoče vsak tip koordinatnega sistema izmeriti v vseh njegovih delih in se ne razlikujejo po vrednosti. Ta pogoj se imenuje
določeno stanje sistema, kjer ima sistem fiksno koordinatno vrednost. Če se koordinate spremenijo, naj bi se stanje sistema spremenilo. Sistem, ki svojega stanja ne spremeni, se imenuje sistem v ravnovesju.
Zakoni termodinamike
Termodinamika ima podporne zakone. Ti zakoni pojasnjujejo, kako in na katere koncepte je treba biti pozoren. Kot so dogodki prenosa toplote in dela v termodinamičnih procesih.
Od svoje formulacije so ti zakoni postali pomembni zakoni v svetu fizike, povezani s termodinamiko. Uporaba teh zakonov se uporablja tudi na različnih področjih, kot so naravoslovje, avtomobilstvo, prehrana, kemija in druga. Tu so zakoni termodinamike:
1 Termodinamični zakon
(Ohranjanje energije v sistemu)
Energije ni mogoče niti ustvariti niti uničiti. Ljudje lahko samo spremenimo obliko energije iz ene oblike energije v drugo. Če v termodinamiki nekaj dobi toploto, bo ta toplota koristna za zunanje delo in spreminjanje notranje energije.
Zvok zakonov termodinamike 1
"Za vsak postopek, če sistem prejme toploto Q in sistem deluje W, bo prišlo do spremembe notranje energije U = Q - W".
Kjer U označuje naravo sistema, medtem ko W in Q ne. W in Q nista funkciji spremenljivk stanja, ampak sta vključeni v termodinamične procese, ki lahko spremenijo stanje. U je funkcija spremenljivk stanja (P, V, T, n). W je pozitivno, če sistem deluje na okolje, in negativno, če sprejema okoljska dela.
Q je pozitiven, če sistem prejema toploto iz okolice, in negativen, če odda toploto v okolico. Sprememba energije v sistemu je odvisna samo od prenosa toplote v sistem in dela sistema in ni odvisna od potekajočih procesov. V tem zakonu ni nobene navedbe smeri sprememb in drugih omejitev.
1 Zakon termodinamike Formula
Matematično lahko prvi zakon termodinamike oblikujemo tako:
Q = U + W
Zagotovljeno, če:
Q (+) → sistem prejema toploto kalo
ALI → sistem oddaja toploto
W (+) → sistem deluje
W (-) → sistem je izpostavljen delu
U (+) → povečuje se notranja energija
U (-) → zmanjšanje notranje energije
U = Q W
Informacije:
U = sprememba notranje energije (džuli)
Q = toplota (džul)
W = delo (jouli)
Procesi
Isobar → konstanten tlak
Izotermična → konstantna temperatura → U = 0
Izohorna → fiksna prostornina (ali izovolumična ali izometrična) → W = 0
Adiabatski → brez izmenjave toplote → Q = 0
Cikel → cikel → U = 0
Enačba stanja plina
Gay-Lussac zakon
Fiksni tlak → V / T = konstanta → V1 / T1 = V2 / T2
Charlesov zakon
Fiksna glasnost → P / T = konstantna → P1 / T1 = P2 / T2
Boyleov zakon
Fiksna temperatura → PV = konstantna → P1V1 = P2V2
P, V, T Spremenjeno (neadiabatsko)
(P1V1) / (T1) = (P2V2) / (T2)
Adiabatis
P1V1 = P2V2γ
T1V1 1 = T2V2γ 1
= razmerje med specifično toploto plina pri konstantnem tlaku in konstantni prostornini → = Cp / Cv
Trud
W = P (ΔV) → Isobar
W = 0 → Isochoris
W = nRT ln (V2 / V1) → Izotermično
W = 3/2 nRΔT → adiabatski (monatomski plin)
Informacije:
T = temperatura (Kelvin, ne Celzija)
P = tlak (Pa = N / m2)
V = prostornina (m3)
n = število molov
1 liter = 10-3 m3
1 atm = 105 Pa (ali sledite vprašanju!)
Če v nalogi ni znano, vzemimo vrednost ln 2 = 0,693
Carnotov motor Mesin
= (1 Tr / Tt) x 100%
= (W / Q1) x 100%
W = Q1 Q2
Informacije:
= Izkoristek motorja Carnot (%)
Tr = nizka temperatura rezervoarja (Kelvin)
Tt = visoka temperatura rezervoarja (Kelvin)
W = delo (jouli)
Q1 = toplota v / absorbiranem visokem rezervoarju (džuli)
Q2 = odvod toplote / izpuh iz rezervoarja (džuli)
Primer težav
Plin z začetno prostornino 2,0 m3 se segreva v izobarnih pogojih, dokler njegova končna prostornina ne znaša 4,5 m3. Če je tlak plina 2 atm, kakšno je zunanje delo plina?
(1 atm = 1,01 x 105 Pa)
Diskusija
Je znan :
V2 = 4,5 m3
V1 = 2,0 m3
P = 2 atm = 2,02 x 105 Pa
Isobar → Fiksni tlak
Na vprašanje W ??
Odgovoril:
W = P (ΔV)
W = P (V2 V1)
Š = 2,02 x 105 (4,5 2,0) = 5,05 x 105 džuljev
2 Termodinamični zakon
(Smer in omejitve sistemske reakcije)
Ta drugi zakon omejuje, katere energetske spremembe se lahko pojavijo in katere ne. Ta omejitev je navedena na različne načine, in sicer:
"Drugi zakon termodinamike pravi, da toplota spontano teče od visokotemperaturnega objekta do nizkotemperaturnega in ne teče spontano v nasprotno smer
Drugi zakon termodinamike v izjavah o toplotnih strojih
Toplotnega stroja, ki deluje v ciklu, ki preprosto absorbira toploto iz rezervoarja in jo v celoti pretvori v zunanje delo, ni mogoče zgraditi.
Drugi zakon termodinamike v entropijski izjavi (termodinamična količina, ki spremlja spremembo vsakega stanja od začetka do konca sistema in izraža motnjo sistema)
Celotna entropija vesolja se ne spremeni, ko pride do reverzibilnega procesa in se poveča, ko pride do nepovratnega procesa.
3 Termodinamični zakon
Tretji zakon termodinamike obravnava absolutno ničelno temperaturo. Ta zakon določa, da ko sistem doseže absolutno ničelno temperaturo (Kelvinovo temperaturo), se vsi procesi ustavijo in entropija Sistem se bo približal najnižji vrednosti.Ta zakon tudi določa, da je entropija telesa s popolno kristalno strukturo na absolutni ničli. je nič.
CIKLUSNA RANKINA
Rankinov cikel je termodinamični cikel, ki pretvarja toploto bodi delo. Toplota se dovaja zunaj v zaprtem toku, kar je običajnouporaba vode kot tekočine v gibanju. Ta cikel ustvari 80%vso električno energijo, proizvedeno po vsem svetu. Ta cikel je poimenovan po v spomin na škotskega znanstvenika Williama Johna Maqcuorna Rankinea.
Rankineov cikel je splošni model delovanja vročih parnih strojevnajdemo v elektrarnah. Glavni vir toplote za Rankinov cikelso premog, zemeljski plin, nafta, jedrska in sončna toplota.
Cikel Rankine včasih včasih znan kot praktični Carnotov cikel, kadar aučinkovita turbina bo T-diagram začel spominjati na Carnotov cikel.Glavna razlika je v tem, da se za dovajanje uporablja črpalkapritisk tekočine namesto plina. Potrebuje približno 100-krat manjenergije kot tlak stiskanja plina v kompresorju (kot nprv Carnotovem ciklu).
termodinamični cikel pretvori toploto v poklic. Toplota se dovaja zunaj za zaprto zanko,ki običajno uporabljajo vodo kot tekočino. Ta cikel proizvajapribližno 80% vse porabljene električne energije.
Tekočina v ciklu Rankina sledi zaprtemu toku in se uporabljakonstanten. V tem ciklu se lahko uporabljajo različne vrste tekočin, vendar je izbrana vodaZaradi različnih fizikalnih in kemijskih lastnosti, kot je nestrupenost, obstajajov razsutem stanju in poceni.
V idealnem Rankinovem ciklu sta črpalka in turbina izentropični, kar je pomeni, da črpalke in turbine ne proizvajajo entropije in maksimirajo močidelo. V pravem Rankinovem ciklu stiskanje s črpalko in raztezanjev neizentropni turbini.
Z drugimi besedami, ta postopek se ne izmenjuje pojdi nazaj in entropija se med postopkom poveča. To poveča potrebno močs črpalko in zmanjša energijo, ki jo proizvaja turbina. Še posebej,izkoristek turbine bo omejen s tvorbo točke vodna točka med širitvijo naturbina zaradi kondenzacije.
Točka te vodne kapljice udarijo v turbino in povzročijo erozijoin korozija, kar zmanjšuje življenjsko dobo turbine in učinkovitost turbine. Najlažji način vspopad s tem je, da ga segrejemo na zelo visoko temperaturovisoko.
Termodinamično učinkovitost lahko dosežemo s povečanjem temperature vnos cikla. Obstaja več načinov za povečanje učinkovitosti ciklaRankine. Rankinov cikel s pogrevanjem. V tem ciklu dve turbini delajte izmenično.
Prvi, ki prejme paro iz kotla pod pritiskomvisoko. Ko para prehaja skozi prvo turbino, bo para vstopila v kotel inpred vstopom v drugo turbino, ki je nižji tlak.Koristi, ki jih je mogoče doseči, vključujejo preprečevanje kondenzacije pare medrazširitev, ki lahko povzroči škodo na turbini in poveča učinkovitostturbina.
Rankineov regenerativni cikel Koncept je skoraj enak konceptu ogrevanja. Torazlika je v pari, ki je prešla skozi drugo turbino in kondenzator se bo pomešal z nekaj pare, ki ni prešla skozi drugo turbino. Mešanje poteka pod istim pritiskom in povzroči mešanjetemperatura. Tako bo primarno ogrevanje učinkovitejše.
Rankinov ciklični proces
Rankinov cikel je kalorični motor, v katerem poganja vodna para cikel. Najpogostejša aktivna tekočina je voda. Cikel je sestavljen iz štirih procesovcikel spremeni stanje tekočine (tlak in / ali stanje).
-
Postopek 1: Tekočina se črpa iz nizkega v visok tlak v obliki tekočina. Ta postopek zahteva malo vnosa energije.
-
2. postopek: Visokotlačna tekočina vstopi v kotel, kjer se tekočina segrejena hlape pri stalnem tlaku do nasičene pare.
3. postopek: Nasičena para se premika proti turbini in ustvarja električno energijo. Ta zadevazmanjšajte temperaturo in parni tlak in morda tudi malo kondenzacije pojavijo.
4. postopek: Mokra para vstopi v kondenzator, kjer se para kondenzirakonstanten tlak in temperatura, dokler ne postane nasičena tekočina.
Primeri problemov s termodinamiko
Primer 1
Pojasnite kvazistatični postopek
Odgovor:
Kvastatični proces je postopek, ki kadar koli ali na kateri koli stopnji spremembe sistema kot celote vedno doseže stanje ravnovesja. To pomeni, da je sistem na vsaki stopnji procesa še vedno mogoče zapisati v enačbo stanja.
Prav tako lahko trdimo, da je kvazistatični proces postopek, ki je neskončna vrsta ravnotežnih stanj; vsakič, ko ravnotežno stanje le malo odstopa od prejšnjega ravnotežnega stanja.
2. primer
Pojasnite in napišite komentarje za naslednje trditve: Jeklenka, opremljena z batom, vsebuje določeno količino plina. Na vrh bata sta nameščeni 2 (dve) uteži, vsaka z maso 1 kg, če se vzame ena utež, se bosta spremenili tlak in prostornina plinskega sistema.
Kaj menite, ali je ta primer kvazistatični ali nekvastatični postopek?
Odgovor:
Očitno je, da ta sistem doživlja nekvastatični proces, ker ne gre za vrsto neskončno številnih ravnotežnih stanj, temveč le za dve ravnotežni stanji, in sicer začetno ravnovesje in končno ravnovesje.
3. primer
Kako narediti postopek v primeru 2 kvazistatični postopek?
Odgovor:
Da bi bil postopek, ki ga izvaja sistem v primeru 2, kvazistatični postopek, je treba eno od uteži nadomestiti z milijonom majhnih uteži Uteži s skupno maso 1 kg in majhne uteži se vzamejo ena za drugo, zato je postopek, ki ga opravi sistem, postopek kvazistatičen.
4. primer
Dajte in napišite razlago reverzibilnega postopka.
Odgovor:
Reverzibilen postopek je postopek iz začetnega stanja v določeno stanje in iz njega V končnem stanju se lahko postopek po poti spet vrne v začetno stanje isti. Na tak način enostavno, če za sistem veljajo določeni pogoji.
Primer 5
Zapišite 2 (dve) zahtevi, tako da naj bi bil postopek reverzibilen.
Odgovor:
Ta postopek je kvazistatičen proces
V tem postopku ni učinkov razprševanja
Primer 6
Dajte in napišite razlago cikla ali cikla.
Odgovor:
Cikel ali cikel je neprekinjen proces, ki je vrsta procesov, sestavljenih iz več stopenj stanja ravnotežno stanje v drugo ravnotežno stanje se nato vrne v prvotno ravnotežno stanje, kar povzroči pretvorbo toplote v delo oz. zunaj podjetja.
7. primer
Ali je mogoče toploto popolnoma pretvoriti v delo?
Odgovor:
V enem koraku lahko pride do popolne pretvorbe toplote v energijo / delo; in sicer v postopku izotermične ekspanzije idealnega plinskega sistema.
- izvedeti več, ali je mogoče izkoristiti tak postopek? (Pozorno preberite opis in razvijte svoj vpogled in razmišljanje).
Primer 8
Navedite razlago toplotnega motorja ali ogrevalnega stroja skupaj s primeri
Odgovor:
Toplotni stroj / ogrevalni stroj je naprava ali sistem, ki deluje za pretvorbo toplotne ali toplotne energije v poslovno ali mehansko energijo. Primer je motor z notranjim zgorevanjem ali eksplozivni motor.
(Odgovor dopolnite s ponovnim branjem in razumevanjem:
-I- 4 značilnosti toplotnega motorja / ogrevalnega motorja
-I- Shematska risba principa toplotnega ali grelnega motorja).
Primer 9
Dajte razlago hladilnega stroja, razlago dopolnite s primeri.
Odgovor:
Hladilni motor je naprava ali sistem, ki deluje za prenos toplote iz hladnega rezervoarja v vroč rezervoar z zunanjim delom. Primer je hladilnik ali hladilnik.
Primer: 10
Med izohornim procesom (v = 1 m3) plin prejme 1000 kalorij toplote, tako da se tlak spremeni za 814 N / m2. Izračunajte spremembo notranje energije plina med postopkom.
Izohorski proces: AV = 0, torej AW = P. AV = 0 AQ = AU + AW ^ 1000 = AU + 0
Torej je sprememba energije v plinu = 1000 kalorij = 1000 x 4,186 J = 4186J
Dvoatomni plin pri srednji temperaturi 200 ° C in tlaku 105 N / m2 4 litre prostornine. Plin je podvržen izobarnemu postopku, tako da je prostornina 6 litrov, nato izohorni postopek, tako da je tlak 1,2 x 105 N / m2. Kakšna je sprememba notranje energije plina med tem postopkom?
Odgovor:
PV = n R T—— ^ P AV + V AP = n R AT
Postopek A - B (AP = 0):
P AV = n R AT = 105. 2,10-3 = 200 J AUBC = 5/2 n R AT = 500 J (dvoatomska 200 ° C)
Postopek: B - C (AV = 0):
VAP = n R AT = 6,10-3,0,2. 105 = 1120 J AUBC = 5/2 n R AT = 300 J (dvoatomska 200 ° C)
Torej skupaj AU = AUAB + AUBC = 800 J
Če je plin stisnjen izotermično, določite tlak, notranjo energijo in delo plina!
Odgovor:
Stisnjen plin pomeni, da se količina plina manjša (AV <0)
TERMODINAMIČNI MODUL SMAN1 MATARAM BURHANUDIN, SPd
Plinski postopek je izotermično AT = 0 Torej: PV = C ——————— ^ P = C / V
Ko se prostornina plina poveča, se tlak plina poveča. To povečanje tlaka plina je posledica pogostejšega trčenja molekul plina s stenami kraja (razdalja, ki jo molekule plina prevozijo, ne zaradi povečane hitrosti).
AU = 3/2 n R AT
Ker je postopek izotermičen (AT = 0), je sprememba notranje energije enaka nič, kar pomeni, da se notranja energija plina ne spremeni.
AQ = AU + AW ———– ^ AW = P AV
Ker je AU = 0, potem je AQ = AW, kar pomeni, da se toplota, ki jo absorbira plin, v celoti pretvori v plin. Ker je količina plina manjša (DV <0), je delo plina negativno (AW Carnotov motor, ki uporablja visokotemperaturni rezervoar 1000 ° K, ima izkoristek 50%. Za koliko se mora povečati izkoristek na 60%, za koliko se mora povečati rezervoar z visoko temperaturo? Odgovor: h = 1-T2 / T1 - ^ 0,5 = 1 T2 / 1000, torej T2 = 500 ° K Če je izkoristek 60% (s konstanto T2), potem je h = 1 - T2 / T1 - ^ 0,6 = 1 - 500 / T2, torej T1 = 12,50 ° K To je popoln pregled. Upamo, da je zgoraj pregledano koristno za bralce. To je vse in hvala.