Notes sur la thermodynamique | Tous ses concepts importants et 3 lois

Notes sur la thermodynamique

Thermodynamique: La branche de la physique et de la science qui traite de la corrélation entre la chaleur et d'autres formes d'énergie pouvant être transférées d'une forme et d'un endroit à un autre peut être définie comme la thermodynamique. Certains termes à connaître lors de l'examen de la thermodynamique peuvent être mieux compris par le terme suivant.

La Chaleur

La chaleur est une forme d'énergie, le transfert d'énergie d'un corps à un autre se produit en raison de la différence de température et l'énergie thermique circule d'un corps chaud à un corps froid, pour en faire un équilibre thermique et joue un rôle très critique dans le principe de thermodynamique.

Projets

Une force externe appliquée dans la direction du déplacement qui permet à l'objet de se déplacer à une distance particulière subit un certain transfert d'énergie qui peut être défini comme un travail dans les livres de physique ou de science. En termes mathématiques, le travail peut être décrit comme la force appliquée multipliée par la distance parcourue. Si le déplacement est impliqué à un angle Θ lorsque la force est exercée, alors l'équation peut être:

W = fs

W = fscosӨ

Où,

 f = force appliquée

s = distance parcourue

Ө = angle de déplacement

La thermodynamique est un aspect très important de notre vie quotidienne. Ils suivent un ensemble de lois à respecter lorsqu'ils sont appliqués en termes de physique.

Lois de la thermodynamique

L'Univers, bien qu'il soit défini par de nombreuses lois, seuls quelques-uns sont puissants. Les lois de la thermodynamique en tant que discipline ont été formulées et ont ouvert des voies à de nombreux autres phénomènes allant des réfrigérateurs à la chimie et bien au-delà des processus de la vie.

Les quatre lois fondamentales de la thermodynamique considèrent des faits empiriques et interprètent des grandeurs physiques, comme la température, la chaleur, le travail thermodynamique et l'entropie, qui définissent les opérations et les systèmes thermodynamiques en équilibre thermodynamique. Ils expliquent les liens entre ces grandeurs. Outre leur application en thermodynamique, les lois ont des applications intégratives dans d'autres branches de la science. En thermodynamique, un «système» peut être un bloc métallique ou un récipient contenant de l'eau, ou même notre corps humain, et tout le reste est appelé «environnement».

au jugement, zéroth loi de la thermodynamique obéit à la propriété transitive des mathématiques de base que si deux systèmes sont en équilibre thermique avec un 3rd système, alors ceux-ci sont dans un état d'équilibre thermique les uns avec les autres.

Les concepts de base qui doivent être couverts pour comprendre les lois de la thermodynamique sont le système et l'environnement.

Système et environnement

La collection d'un ensemble particulier d'éléments que nous définissons ou incluons (quelque chose d'aussi petit qu'un atome à quelque chose d'aussi grand que le système solaire) peut être appelée un système alors que tout ce qui ne relève pas du système peut être considéré comme l'environnement et ces éléments. deux concepts sont séparés par une frontière.

Par exemple, le café dans un flacon est considéré comme un système et un environnement avec une limite.

Essentiellement, un système se compose de trois types à savoir, ouvert, fermé et isolé.

note de thermodynamique
Figure: Système et environnement en thermodynamique

Equations thermodynamiques

Les équations formées en thermodynamique sont une représentation mathématique du principe thermodynamique soumis à un travail mécanique sous forme d'expressions équationnelles.

Les différentes équations qui se forment dans les lois et fonctions thermodynamiques sont les suivantes:

● ΔU = q + w (première loi de TD)

● ΔU = Uf - Ui (énergie interne)

● q = m Cs ΔT (chaleur / g)

● w = -PextΔV (travail)

● H = U + PV

H = ΔU + PΔV

ΔU = ΔH - PΔV

ΔU = ΔH - ΔnRT (enthalpie à l'énergie interne)

● S = k ln Ω (deuxième loi de la formule de Boltzman)

● ΔSrxn ° = ΣnS ° (produits) - ΣnS ° (réactifs) (troisième loi)

● ΔG = ΔH - TΔS (énergie libre)

Première loi de la thermodynamique

The 1st La loi de la thermodynamique précise que lorsque l'énergie (sous forme de travail, de chaleur ou de matière) entre ou sort d'un système, l'énergie interne du système change selon la loi de conservation de l'énergie (ce qui signifie que l'énergie ne peut être ni créée ni détruite et ne peut être transféré ou converti d'une forme à une autre), c'est-à-dire, machine à mouvement perpétuel du 1st kind (une machine qui fonctionne réellement sans énergie i / p) sont inaccessibles.

Par exemple, allumer une ampoule est une loi de l'énergie électrique convertie en énergie lumineuse qui éclaire réellement et une partie sera perdue sous forme d'énergie thermique.

 ΔU = q + w

  • ΔU est le changement d'énergie interne total d'un système.
  • q est le transfert de chaleur entre un système et son environnement.
  • w est le travail effectué par le système.
Notes sur la thermodynamique: première loi de la thermodynamique

Deuxième loi de la thermodynamique

La deuxième loi de la thermodynamique définit une propriété importante d'un système appelé entropie. L'entropie de l'univers est toujours croissante et représentée mathématiquement par ΔSuniv> 0 où ΔSuniv est le changement de l'entropie de l'univers.

Entropie

L'entropie est la mesure du caractère aléatoire du système ou c'est la mesure de l'énergie ou du chaos dans un système isolé, cela peut être considéré comme un indice quantitatif décrivant la classification de l'énergie.

La deuxième loi donne également la limite supérieure d'efficacité des systèmes et la direction du processus. C'est un concept de base que la chaleur ne s'écoule pas d'un objet de moindre température vers un objet de plus grande température. Pour que cela se produise, une entrée de travail externe doit être fournie au système. Ceci est une explication de l'un des principes fondamentaux de la deuxième loi de la thermodynamique appelée «énoncé de Clausius de la deuxième loi». Il déclare qu '«il est impossible de transférer la chaleur dans un processus cyclique de basse température à haute température sans travail d'une source externe».

Figure: Deuxième loi de la thermodynamique Source de l'image: NASA

 Les réfrigérateurs et les pompes à chaleur sont un exemple concret de cette affirmation. On sait également qu'une machine qui ne peut pas convertir toute l'énergie fournie à un système ne peut pas être convertie pour fonctionner avec une efficacité de 100%. Ceci nous guide ensuite vers la déclaration suivante appelée «l'énoncé de Kelvin-Planck de la deuxième loi». L'énoncé est le suivant: «Il est impossible de construire un appareil (moteur) fonctionnant selon un cycle qui ne produira aucun effet autre que l'extraction de la chaleur d'un seul réservoir et la convertira en travail».

Mathématiquement, l'énoncé Kelvin-Planck peut être écrit comme suit: Wcycle ≤ 0 (pour un seul réservoir) Une machine qui peut produire du travail en continu en prenant la chaleur d'un seul réservoir de chaleur et en la convertissant en travail est appelée une machine à mouvement perpétuel de le deuxième type. Cette machine viole directement la déclaration Kelvin-Planck. Donc, pour le dire simplement, pour qu'un système produise pour fonctionner en cycle, il doit interagir avec deux réservoirs thermiques à des températures différentes.

Ainsi, en termes simples, la deuxième loi de la thermodynamique se développe, lorsque la conversion d'énergie se produit d'un état à un autre, l'entropie ne diminue pas mais augmente toujours indépendamment dans un système fermé.

Troisième loi de la thermodynamique

En termes simples, la troisième loi stipule que l'entropie d'un objet s'approche de zéro lorsque la température absolue s'approche de zéro (0K). Cette loi aide à trouver un point d'accréditation absolu pour obtenir l'entropie. Le 3rd La loi de la thermodynamique a 2 caractéristiques significatives comme suit.

Le signe de l'entropie de toute substance particulière à toute température supérieure à 0K est reconnu comme un signe positif, et il donne un point de référence fixe pour identifier l'entropie absolue de toute substance spécifique à n'importe quelle température.

Figure: Diagramme TS Source de l'image: Wikipédia en commun

Différentes mesures d'énergie

ÉNERGIE

L'énergie est définie comme la capacité de travailler. C'est une quantité scalaire. Il est mesuré en KJ en unités SI et en Kcal en unités MKS. L'énergie peut prendre plusieurs formes.

FORMES D'ÉNERGIE:

 L'énergie peut exister sous de nombreuses formes telles que

  • 1. Énergie interne
  • 2. Énergie thermique
  • 3. Énergie électrique
  • 4. Énergie mécanique
  • 5. Énergie cinétique
  • 6. Énergie potentielle
  • 7. Énergie éolienne et
  • 8. Énergie nucléaire

Cela est également classé dans

(a) énergie stockée et (b) énergie de transit.

Énergie stockée

La forme d'énergie stockée peut être l'un des deux types suivants.

  • Formes macroscopiques d'énergie: Énergie potentielle et énergie cinétique.
  • Formes microscopiques d'énergie: Énergie interne.

Énergie de transit

L'énergie de transit signifie l'énergie en transition, essentiellement représentée par l'énergie possédée par un système capable de franchir les frontières

Chauffant :

 C'est une forme de transfert d'énergie qui circule entre deux systèmes sous la différence de température entre eux.

(a) Calorie (cal) C'est la chaleur nécessaire pour augmenter la température de 1 g de H2O de 1 ° C

(b) Unité thermique britannique (BTU) C'est la chaleur nécessaire pour augmenter la température de 1 lb de H2O de 1 ° F

Travailler :

Une interaction énergétique entre un système et son environnement au cours d'un processus peut être considérée comme un transfert de travail.

Enthalpie:

Enthalpie (H) définie comme la somme des énergies internes du système et le produit de sa pression et de son volume et de son enthalpie est une fonction d'état utilisée dans le domaine des systèmes physiques, mécaniques et chimiques à pression constante, représentée en Joules (J) en SI unités.

Relation entre les unités de mesure d'énergie (par rapport aux Joules, J)

UnitéÉquivalent à
1eV1.1602 x 10 à 19 J
1 cal4.184 J
1 BTU1.055 kJ
1 W1 J / s

Tableau: Tableau des relations 

Les relations de Maxwell

Les quatre relations de Maxwell les plus traditionnelles sont les égalités des secondes dérivées de chacune des quatre perspectives thermodynamiques, concernant leurs variables mécaniques telles que Pression (P) et Volume (V) plus leurs variables thermiques telles que Température (T) et Entropie ( S).

Équation: relations de Maxwell communes

Conclusion

Cet article sur la thermodynamique vous donne un aperçu des lois fondamentales, des définitions, des relations d'équations et de ses quelques applications, bien que le contenu soit court, il peut être utilisé pour quantifier de nombreuses inconnues. La thermodynamique trouve son utilisation dans divers domaines car certaines quantités sont plus faciles à mesurer que d'autres, bien que ce sujet soit profond en soi, thermodynamique est fondamentale, et ses phénomènes fascinants nous donnent une compréhension profonde du rôle de l'énergie dans cet univers

Quelques questions liées au domaine de la thermodynamique

Quelles sont les applications de la thermodynamique en ingénierie?

Il existe plusieurs applications de la thermodynamique dans notre vie quotidienne ainsi que dans le domaine de l'ingénierie. Les lois de la thermodynamique sont intrinsèquement utilisées dans l'automobile et le secteur aéronautique de l'ingénierie comme dans les moteurs à circuits intégrés et les turbines à gaz dans les départements respectifs. Il est également appliqué dans les moteurs thermiques, les pompes à chaleur, les réfrigérateurs, les centrales électriques, la climatisation, etc. suivant les principes de la thermodynamique.

Pourquoi la thermodynamique est-elle importante?

Il y a diverses contributions de la thermodynamique dans notre vie quotidienne ainsi que dans le secteur de l'ingénierie. Les processus qui se produisent naturellement dans notre vie quotidienne relèvent des lois thermodynamiques. Les concepts de transfert de chaleur et les systèmes thermiques dans l'environnement s'expliquent par le fondamental thermodynamique, c'est pourquoi le sujet est très important pour nous.

Combien de temps faut-il à une bouteille d'eau pour geler à une température de 32 ° F?

 En termes de solution conceptuelle à la question donnée, le temps nécessaire pour geler une bouteille d'eau à une température de 32F dépendra du point de nucléation de l'eau qui peut être défini comme le point où les molécules dans le liquide sont rassemblés pour se transformer en une structure cristalline solide où l'eau pure gèlera à -39 ° C.

D'autres facteurs à considérer sont la chaleur latente de fusion de l'eau qui est la quantité d'énergie nécessaire pour changer son état, essentiellement liquide en solide ou solide en liquide. La chaleur latente de l'eau à 0 ° C pour la fusion est de 334 joules par gramme.

Qu'est-ce que le taux de coupure et comment affecte-t-il l'efficacité thermique d'un moteur diesel?

Le rapport de coupure est inversement proportionnel au cycle diesel car il y a une augmentation de l'efficacité du rapport de coupure, il y a une diminution ou une réduction de l'efficacité d'un moteur diesel. Le rapport de coupure est basé sur son équation où la correspondance du volume du cylindre avant et après la combustion est proportionnelle l'un à l'autre.

Cela se passe comme suit:

 
 Équation 1: rapport de coupure

Qu'est-ce qu'un état d'équilibre en thermodynamique?

L'état actuel d'un système qui contient un écoulement à travers lui au fil du temps et les variables de ce processus particulier restent constants, alors cet état peut être défini comme un système en régime permanent dans le domaine de la thermodynamique.

Quels sont les exemples de frontière fixe et de frontière mobile dans le cas de la thermodynamique?

Une frontière mobile ou en d'autres termes, la masse de contrôle est une certaine classe de système où la matière ne peut pas se déplacer à travers la frontière du système tandis que la frontière elle-même agit comme un caractère flexible qui peut s'étendre ou se contracter sans permettre à aucune masse de s'écouler dans ou hors de il. Un exemple simple de système de frontière mobile en thermodynamique de base serait un piston dans un moteur IC où la limite se dilate lorsque le piston est déplacé tandis que la masse du gaz dans le cylindre reste constante, ce qui permet de travailler.

Figure: Mouvement du piston

Alors que dans le cas d'une limite fixe, aucun travail n'est autorisé car ils maintiennent le volume constant tandis que la masse peut entrer et sortir librement dans le système. Il peut également être appelé processus de contrôle du volume. Exemple: du gaz s'écoulant d'une bouteille domestique connectée à une cuisinière alors que le volume est fixe.

 Quelles sont les similitudes et les dissemblances de la chaleur et du travail en thermodynamique?

Similitudes:

  • ● Ces deux énergies sont considérées comme des fonctions de chemin ou des grandeurs de processus.
  • ● Ce sont également des différentiels inexacts.
  • ● Les deux formes d'énergie ne sont pas stockées et peuvent être transférées dans et hors du système suite au phénomène transitoire.

Différences:

  • ● Le flux de chaleur dans un système est toujours associé à la fonction d'entropie alors qu'il n'y a pas de transfert d'entropie avec le système de travail.
  • ● La chaleur ne peut pas être convertie à cent pour cent en travail, tandis que le travail peut être converti en chaleur à 100%.
  • ● La chaleur est considérée comme une énergie de faible qualité, il est facile de convertir la chaleur en d'autres formes tandis que le travail est une énergie de haute qualité.


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À propos de Shakthivel Bhaskar

Je m'appelle Shakthivel Bhaskar, quelqu'un qui a été passionné par la mécanique des choses que nous utilisons dans la vie de tous les jours depuis qu'on m'a donné des jouets fascinants quand j'étais petite. Cette passion contribue à mon amour pour le génie mécanique, ce qui m'a conduit à terminer ma maîtrise dans ce domaine. J'ai travaillé sur deux projets organisés par SAE, Inde et FS, Royaume-Uni. Mon évasion de la réalité serait ma passion alternative, le football qui m'aide à me concentrer sur mon travail lorsque j'y passe un peu de temps.

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