LEYES DE LA TERMODINAMICA
La primera ley
La ley de conservación y
transformación de la energía es una de las leyes básicas de la naturaleza.
Señala que toda la materia en la naturaleza tiene energía, y la energía no se
puede crear ni destruir; pero la energía se puede transformar de una forma a
otra, y la cantidad total de energía permanece constante en el proceso de
transformación de energía.
La primera ley es la aplicación de
la ley de conservación y transformación de la energía en los fenómenos
térmicos, determina la relación cuantitativa de la energía en diversas formas
cuando el sistema térmico intercambia energía con el mundo exterior en el
proceso térmico.
Sabemos que el movimiento es un
atributo de la materia y la energía es una medida del movimiento de la materia.
La teoría del movimiento molecular aclara que la energía térmica es el
movimiento caótico de moléculas, átomos y otras partículas que forman una
sustancia: la energía del movimiento térmico. Dado que la energía térmica y
otras formas de energía son el movimiento de la materia, la energía térmica y
otras formas de energía se pueden convertir entre sí, y la conservación de
energía durante la conversión es completamente natural.
es un resumen de la experiencia
humana acumulada en la práctica. No puede ser probada por las matemáticas u
otras teorías. Sin embargo, el primer tipo de máquina de movimiento perpetuo
aún no se ha creado y todas las inferencias derivadas de la primera ley son
consistentes. con la experiencia real Los hechos como la conformidad pueden
ilustrar plenamente su corrección.
Contenidos fundamentales
La energía es eterna, nadie la
creará ni nadie la destruirá. Pero la energía térmica puede proporcionar
energía a la energía cinética y la energía cinética se puede convertir en
energía térmica.
Es la energía interna que caracteriza la energía de un sistema termodinámico. A través del trabajo y la transferencia de calor, el sistema intercambia energía con el exterior, por lo que la energía interna cambia. Según la ley general de conservación de la energía , el sistema parte del estado inicial
Ésta es la expresión de la primera
ley . Si además del trabajo y la transferencia de calor, también hay energía
aportada por la materia que ingresa al sistema desde el mundo exterior. Z Deberia ser.
Expresión de cálculo
La ecuación de energía de la
primera ley de la es la ecuación de balance de energía en el proceso de cambio
de sistema y es la ecuación fundamental para analizar el proceso de cambio de
estado. Se puede deducir del principio del cambio de varias energías y la
conservación de su cantidad total durante el cambio de estado del sistema.
Cuando se aplica el principio de la primera ley de la termodinámica al cambio
de energía en el sistema, se puede escribir de la siguiente manera:
Energía que ingresa al sistema-energía
que sale del sistema = aumento de la energía almacenada en el sistema
La fórmula anterior es la
expresión básica del balance energético del sistema, cualquier sistema y
cualquier proceso puede establecer su fórmula de balance basándose en este
principio. Para un sistema cerrado , la energía que entra y sale del sistema
solo incluye dos ítems: calor y trabajo; para un sistema abierto , porque hay
materiales que entran y salen de la interfaz, la energía que entra y sale del
sistema, además de los dos anteriores. elementos, también tiene materiales de
acompañamiento Trae la energía dentro y fuera del sistema.
Debido a estas diferencias, cuando
se aplica la primera ley de la termodinámica a diferentes sistemas térmicos, se
pueden obtener diferentes ecuaciones de energía.
Para un proceso diferencial, la
forma de cálculo analítico de la primera ley es:
Otra formulación de la primera ley
de la es: el primer tipo de máquina de movimiento perpetuo es imposible de
crear. Esta es una máquina que mucha gente sueña con hacer que pueda realizar
un trabajo de manera continua sin combustible ni energía. Es una máquina que se
puede crear de la nada y proporcionar un flujo constante de energía.
Obviamente, el primer tipo de máquina de movimiento perpetuo viola la ley de
conservación de la energía .
La segunda ley
La segunda ley que aclara la
dirección, las condiciones y los límites de varios procesos relacionados con
los fenómenos térmicos. Debido a la existencia generalizada de fenómenos
térmicos en la práctica de la ingeniería, la segunda ley tiene una amplia gama
de aplicaciones, tales como transferencia de calor, transformación mutua de
energía térmica, reacción química, combustión de combustible, difusión de gas,
mezcla, separación, disolución, cristalización. , radiación, bioquímica,
fenómeno de la vida, teoría de la información, física de bajas temperaturas,
meteorología y muchos otros campos.
Declaración de Clausius de la
segunda ley: En 1850, Dudolf Clausius propuso desde la perspectiva de la
direccionalidad de la transferencia de calor: el calor no se puede transferir
de un objeto de baja temperatura a un objeto de alta temperatura de forma
espontánea y sin costo alguno.
Esto se refiere a
"espontáneamente, sin pagar precio". El ciclo inverso del dispositivo
de bomba de calor puede transferir calor de un objeto de baja temperatura a un
objeto de alta temperatura, lo que no viola la segunda ley de la termodinámica,
porque se realiza a un costo más que de forma espontánea. El proceso no espontáneo
(transferencia de calor de baja temperatura a alta temperatura) debe ir
acompañado de un proceso espontáneo (energía mecánica en energía térmica) como
condición de costo y complementario, este último se denomina proceso de
compensación.
El enunciado de Kelvin de la
segunda ley :
En 1824, Sadi Carnot propuso por primera vez la condición fundamental para la conversión de energía térmica en energía mecánica: "Cualquier lugar con una diferencia de temperatura puede generar energía". En esencia, es una expresión de la segunda ley de la termodinámica. Con la llegada de la máquina de vapor, las personas se han dado cuenta en la investigación para mejorar la eficiencia de las máquinas térmicas que un dispositivo termodinámico con una sola fuente de calor no puede funcionar. Requiere al menos dos (o más de dos) diferencias de temperatura para convertir continuamente el calor energía en energía mecánica. La fuente de calor suele utilizar aire en la atmósfera o agua a temperatura ambiente como fuente de calor a baja temperatura. Además, una fuente de calor a alta temperatura superior a la temperatura ambiente, como los gases de combustión a alta temperatura, también es obligatorio. Alrededor de 1851, Lord Kelvin, Max Planck y otros propusieron sucesivamente formulaciones más rigurosas desde la perspectiva de la conversión de la energía térmica en energía mecánica. La declaración de Kelvin conocida como la segunda ley de la termodinámica: es imposible hacer una sola máquina térmica A que absorbe el calor de una fuente de calor y lo convierte en trabajo sin dejar otros cambios .
Direccionalidad
1. Conversión de calor de trabajo
El trabajo se puede convertir
automáticamente en calor. La conversión de trabajo en calor es un proceso
irreversible. El proceso inverso, es decir, el proceso de reducir la energía
termodinámica del fluido o recolectar el calor disipado al ambiente en trabajo
y re-elevación el objeto pesado a su posición original no se puede hacer solo.
Se lleva a cabo local y automáticamente, y es imposible convertir todo el calor
en trabajo incondicionalmente.
2. El calor siempre solo se puede
transferir del lugar caliente al lugar frío (en su estado natural).
El calor debe transferirse
automáticamente de un objeto de alta temperatura a un objeto de baja temperatura;
mientras que el proceso inverso, el proceso de transferir calor de baja
temperatura a alta temperatura y el sistema regresando a su estado original, no
se puede realizar automáticamente, y Requiere ayuda externa.
La entropía y el principio de entropía
aumentan.
La entropía es un parámetro de
estado estrechamente relacionado con la segunda ley d. Es la dirección de
juzgar el proceso real, proporcionando un criterio para determinar si el
proceso puede realizarse y ser reversible, y juega un papel vital en la
medición de la irreversibilidad del proceso y la cuantificación de la segunda
ley de la termodinámica.
La expresión más clásica del
principio de aumento de entropía es: "La entropía de un sistema adiabático
nunca disminuye". La gente moderna ha extendido esta expresión a "En
un sistema aislado, cualquier cambio no puede conducir a una disminución de la
entropía". El principio de aumento de entropía es el mismo que la ley de
conservación de la energía , que requiere que sea cierto todo el tiempo. Hay
cuatro términos sobre sistemas, a saber, sistemas aislados, cerrados, abiertos
y adiabáticos. Los sistemas aislados se refieren a aquellos sistemas que no
tienen intercambio de material ni energía con el entorno externo, o la suma
tanto del interior del sistema como del exterior conectado. a él., Sistema
cerrado se refiere a aquellos sistemas que tienen intercambio de energía con el
ambiente externo, pero no intercambio de material. El sistema abierto se
refiere al sistema que tiene tanto intercambio de energía como material con el
mundo exterior. El sistema adiabático se refiere al sistema que tiene ni
intercambio de partículas ni intercambio de energía térmica, pero hay
intercambio de energía no térmica como la energía eléctrica y la energía
mecánica .
La tercera ley
En 1912, Nernst dedujo basándose
en su teorema del calor y concluyó que el cero absoluto es imposible de
alcanzar. Expresado en forma de ley: "Es imposible aplicar un número
finito de métodos para llevar la temperatura del sistema al cero
absoluto".
La ley anterior es una de las
expresiones de la tercera ley de la termodinámica . Es imposible alcanzar el
cero absoluto, que parece ser una ley objetiva por naturaleza. El significado
esencial de esta ley es que es imposible detener todos los patrones de
movimiento relacionados con la energía térmica en las moléculas y átomos de un
objeto. Esto es consistente con el punto de vista de la mecánica cuántica y el
punto de vista del materialismo dialéctico : "El movimiento es un atributo
indivisible de la materia". Parece imposible que cualquier forma de
movimiento desaparezca por completo.
Según el teorema del calor de
Nernst , el razonamiento de que el cero absoluto es imposible de lograr es el
siguiente: según el teorema del calor de Nernst, la entropía del sistema
material no cambia cuando el proceso de temperatura está cerca del cero
absoluto. El proceso de entropía constante del sistema material es el proceso
adiabático reversible del sistema aislado. Por lo tanto, el proceso adiabático
también tiene la característica de temperatura constante cuando está cerca del
cero absoluto, en este momento es imposible confiar en el proceso adiabático
para reducir aún más la temperatura del sistema material hasta alcanzar el cero
absoluto.
Por lo tanto, las dos narrativas
anteriores de la tercera ley son equivalentes, y cualquiera de ellas puede
derivarse de la otra.
La segunda ley nos dice que debe
haber algo con una temperatura más baja para transferir calor, por lo que en el
cero absoluto, no se puede hacer nada más frío.
"Bajo el cero absoluto, la
entropía de un cristal completo de cualquier materia pura es igual a
cero".
Ley cero
Rápido
Si cada uno de los dos sistemas
termodinámicos está en equilibrio térmico con el tercer sistema termodinámico
(la temperatura es la misma), entonces también deben estar en equilibrio
térmico entre sí. Esta conclusión se denomina "ley cero ".
La importancia de la ley cero es
que da la definición de temperatura y el método de medición de temperatura.
El sistema termodinámico
mencionado en la ley se refiere a un objeto o un sistema de objetos compuesto
por una gran cantidad de moléculas y átomos. Proporciona una base experimental
para establecer el concepto de temperatura. Esta ley refleja que todos los
sistemas termodinámicos en el mismo estado de equilibrio térmico tienen una
característica macroscópica común, que es una función de estado de igual valor
determinada por los estados de estos sistemas de equilibrio térmico mutuo, y
esta función de estado se define como la temperatura. La temperatura igual es
una condición necesaria para el equilibrio térmico.
Ámbito de aplicación
La ley cero se deriva sin
considerar la acción del campo gravitacional La materia (especialmente la
materia gaseosa) producirá espontáneamente un cierto gradiente de temperatura
en el campo gravitacional. Si hay dos contenedores cerrados llenos de hidrógeno
y oxígeno respectivamente, debido a sus diferentes pesos moleculares, sus
gradientes de temperatura en el campo gravitacional también son diferentes. Si
el calor se puede intercambiar entre ellos en el punto más bajo, la temperatura
es la misma, pero debido a que el gradiente de temperatura de los dos gases es
diferente, la temperatura en el punto alto no es la misma, es decir,
desequilibrada. Por tanto, la ley cero no se aplica a la existencia de campos
gravitacionales. Esto es similar a la segunda ley que restringe el segundo tipo
de máquina de movimiento perpetuo .
significado
La ley cero se utiliza como base
básica para la medición del sistema y su importancia radica en que explica la
definición de temperatura y el método de medición de la temperatura. Expresado
de la siguiente manera:
1. Se puede juzgar si los dos
sistemas han alcanzado el equilibrio térmico al ponerse en contacto con los dos
sistemas y observar si las propiedades de los dos sistemas han cambiado.
2. Cuando las condiciones externas
no cambian, el sistema que ha alcanzado el estado de equilibrio térmico , la
temperatura interna se distribuye uniformemente y tiene un valor de temperatura
definido y constante.
3. Todos los sistemas que están en
equilibrio entre sí tienen la misma temperatura, por lo que la temperatura de
un sistema puede expresarse por la temperatura de otro sistema que está en
equilibrio, o por la temperatura del tercer sistema.
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