Termodinamika adalah cabang fisika yang mempelajari sifat termal benda makroskopik dan sistem benda dalam keadaan kesetimbangan termal, berdasarkan hukum kekekalan energi, tanpa memperhitungkan struktur internal badan yang membentuk sistem tersebut.

Termodinamika tidak mempertimbangkan jumlah mikroskopis - ukuran atom dan molekul, massa dan jumlahnya.

Hukum termodinamika menetapkan hubungan antara kuantitas fisik yang dapat diamati secara langsung yang mencirikan keadaan suatu sistem, seperti tekanan\(p \)​, volume​\(V \)​, suhu\(T \)​.

Energi dalam- ini kuantitas fisik, sama dengan jumlah energi kinetik gerakan termal partikel tubuh dan energi potensial interaksi mereka satu sama lain.

Penunjukan - \\ (U \) , dalam satuan pengukuran SI - Joule (J).

Dalam termodinamika, energi dalam bergantung pada suhu dan volume benda.

Energi internal benda bergantung pada suhu, massa, dan keadaan agregasi. Ketika suhu naik, energi internal meningkat. Energi dalam terbesar suatu zat dalam keadaan gas, yang terkecil - dalam padatan.

Energi dalam gas ideal hanya mewakili energi kinetik dari gerakan termal partikelnya; energi potensial interaksi partikel adalah nol.

Energi internal gas ideal berbanding lurus dengan suhunya, dan tidak bergantung pada volume (molekul gas ideal tidak berinteraksi satu sama lain):

di mana \(i \) adalah koefisien, sama dengan nomor derajat kebebasan molekul, \(\nu \)​ adalah jumlah materi, \(R \)​ adalah konstanta gas universal, \(T \)​ adalah suhu mutlak.

Jumlah derajat kebebasan sama dengan jumlah kemungkinan gerakan partikel.

Penting!
Untuk gas monoatomik, koefisien \(i \) = 3, untuk gas diatomik \(i \) = 5.

Dalam praktiknya, seringkali penting untuk dapat menemukan perubahan energi internal:

Saat memecahkan masalah, Anda dapat menulis rumus untuk menghitung energi internal menggunakan persamaan Mendeleev–Clapeyron:

di mana \(p \) adalah tekanan, \(V \) adalah volume gas.

Energi internal gas nyata tergantung pada suhu dan volume.

Mengubah energi dalam Hal ini dimungkinkan karena perubahan suhu (selama perpindahan panas) dan karena perubahan tekanan dan volume (selama bekerja).

Kesetimbangan termal

Kesetimbangan termal adalah keadaan sistem di mana semua parameter makroskopiknya tetap tidak berubah untuk waktu yang lama.

Besaran yang mencirikan keadaan benda makroskopik tanpa memperhitungkannya struktur molekul, disebut parameter makroskopik. Ini termasuk tekanan dan suhu, volume, massa, konsentrasi masing-masing komponen campuran gas, dll. Dalam keadaan kesetimbangan termal, tidak ada pertukaran panas dengan benda di sekitarnya, tidak ada transisi materi dari satu keadaan agregasi ke keadaan agregasi lainnya. , suhu, tekanan, volume tidak berubah.

Setiap sistem termodinamika berjalan secara spontan ke keadaan kesetimbangan termal. Setiap keadaan kesetimbangan termal, di mana sistem termodinamika dapat, sesuai dengan suhu tertentu.

Penting!
Dalam keadaan kesetimbangan termal, volume, tekanan dapat berbeda di bagian yang berbeda sistem termodinamika, tapi hanya suhu di semua bagian sistem termodinamika dalam kesetimbangan termal adalah sama. Proses mikroskopis di dalam tubuh tidak berhenti bahkan pada kesetimbangan termal: posisi molekul berubah, kecepatannya selama tumbukan.

Perpindahan panas

Perpindahan panas- proses mengubah energi internal tubuh tanpa melakukan usaha.

Ada tiga jenis perpindahan panas: konduksi, konveksi dan radiasi (perpindahan panas radiasi). Perpindahan panas terjadi antar benda pada temperatur yang berbeda. Kalor berpindah dari benda yang bersuhu lebih tinggi ke benda yang bersuhu lebih rendah.

Konduktivitas termal- ini adalah proses transfer energi dari tubuh yang lebih panas (bagian tubuh) ke yang kurang panas sebagai akibat dari pergerakan dan interaksi partikel tubuh. Logam memiliki konduktivitas termal yang tinggi - misalnya, konduktor panas terbaik adalah tembaga, emas, perak. Konduktivitas termal cairan lebih kecil, dan gas merupakan konduktor panas yang buruk. Badan berpori tidak menghantarkan panas dengan baik, karena udara terkandung di dalam pori-pori. Zat dengan konduktivitas termal rendah digunakan sebagai isolator panas. Konduksi panas tidak mungkin terjadi dalam ruang hampa. Dengan konduksi panas, tidak ada perpindahan materi.

Fenomena konduktivitas termal gas mirip dengan fenomena difusi. Molekul cepat bergerak dari lapisan dengan suhu yang lebih tinggi ke lapisan yang lebih dingin, dan molekul dari lapisan dingin pindah ke yang lebih panas. Karena ini, rata-rata energi kinetik molekul dari lapisan yang lebih hangat berkurang, dan suhunya menjadi lebih rendah.

Dalam cairan dan padatan dengan peningkatan suhu di area mana pun tubuh yang kokoh atau cair partikelnya mulai berosilasi lebih kuat. Bertabrakan dengan partikel tetangga, di mana suhunya lebih rendah, partikel-partikel ini mentransfer sebagian energinya kepada mereka, dan suhu area ini meningkat.

Konveksi- perpindahan energi melalui aliran cairan atau gas.

Mekanisme konveksi dapat dijelaskan atas dasar ekspansi termal tubuh dan hukum Archimedes. Ketika dipanaskan, volume cairan meningkat dan kepadatan berkurang. Lapisan yang dipanaskan di bawah aksi gaya Archimedes naik, dan yang dingin turun. dia konveksi alami. Itu terjadi ketika cairan atau gas dipanaskan secara tidak merata dari bawah di medan gravitasi.

Pada konveksi paksa pergerakan zat terjadi di bawah aksi pompa, bilah kipas. Konveksi semacam itu digunakan dalam keadaan tanpa bobot. Intensitas konveksi tergantung pada perbedaan suhu antara lapisan medium dan keadaan agregasi zat. Arus konveksi naik. Konveksi adalah perpindahan materi.

Dalam padatan, konveksi tidak mungkin terjadi, karena partikel tidak dapat meninggalkan tempatnya karena interaksi yang kuat. Konveksi juga tidak mungkin dalam ruang hampa.

Contoh arus konvektif di alam adalah angin (angin siang dan malam, angin muson).

Radiasi(perpindahan panas radiasi) - perpindahan energi gelombang elektromagnetik. Perpindahan panas secara radiasi dimungkinkan dalam ruang hampa. Sumber radiasi adalah setiap benda yang suhunya berbeda dari nol Ke. Ketika energi diserap radiasi termal masuk ke energi internal. Benda gelap dipanaskan lebih cepat oleh radiasi daripada benda dengan permukaan mengkilap, tetapi juga mendingin lebih cepat. Daya radiasi tergantung pada suhu tubuh. Ketika suhu tubuh meningkat, energi radiasi meningkat. Semakin besar luas permukaan tubuh, semakin kuat radiasinya.

Kuantitas panas. Kapasitas panas spesifik suatu zat

Kuantitas panas adalah besaran fisis skalar yang sama dengan energi yang diterima atau dilepaskan tubuh selama perpindahan panas.

Penunjukan - \\ (Q \) , dalam satuan pengukuran SI - J.

Panas spesifik adalah besaran fisis skalar, secara numerik sama dengan nomor kalor yang diterima atau dilepaskan benda bermassa 1 kg ketika suhunya berubah 1 K.

Penunjukan - \\ (c \) , dalam satuan pengukuran SI - J / (kg K).

Kapasitas panas spesifik ditentukan tidak hanya oleh sifat-sifat zat, tetapi juga oleh proses di mana perpindahan panas terjadi. Oleh karena itu, kapasitas panas spesifik gas diisolasi pada tekanan konstan-\(c_P \)​ dan kapasitas kalor jenis gas pada volume konstan -\(c_V \) . Memanaskan gas sebesar 1 K pada tekanan konstan membutuhkan jumlah besar panas dari pada volume konstan -\(c_P > c_V \) .

Rumus untuk menghitung jumlah panas yang diterima benda saat dipanaskan atau dilepaskan saat didinginkan:

di mana \(m \) adalah massa benda, \(c \) adalah panas spesifik, ​\(T_2 \)​ - suhu tubuh akhir, ​\(T_1 \)​ - suhu tubuh awal.

Penting!
Saat memecahkan masalah untuk menghitung jumlah panas selama pemanasan atau pendinginan, Anda tidak dapat mengubah suhu menjadi kelvin. Sejak 1K \u003d 1 ° C, maka\ ( \ Delta T \u003d \ Delta t \) .

Bekerja di termodinamika

Kerja dalam termodinamika sama dengan perubahan energi dalam tubuh.

Sebutan untuk kerja gas adalah \(A' \)​, satuan ukuran dalam SI adalah joule (J). Penunjukan pekerjaan kekuatan luar lebih dari gas - \(A \) .

Kerja gas \(A' =-A \) .

Kerja pemuaian gas ideal adalah kerja yang dilakukan gas terhadap tekanan luar.

Usaha yang dilakukan oleh gas adalah positif ketika memuai dan negatif ketika dimampatkan. Jika volume gas tidak berubah (proses isokhorik), maka gas tidak melakukan kerja.

Secara grafis, pekerjaan yang dilakukan oleh gas dapat dihitung sebagai luas gambar di bawah grafik tekanan-volume dalam sumbu koordinat​\((p,V) \)​dibatasi oleh grafik, sumbu ​\(V \) dan tegak lurus yang ditarik dari titik-titik awal dan nilai akhir volume.

Rumus untuk menghitung kerja gas adalah:

dalam proses isobarik\(A’=p\cdot\Delta V. \) ​

di proses isotermal \(A'=\frac(m)(M)RT\ln\frac(V_2)(V_1). \)​

persamaan keseimbangan panas

Jika suatu sistem benda diisolasi secara termal, maka energi internalnya tidak akan berubah meskipun ada perubahan yang terjadi di dalam sistem. Jika ​\(A \)​ = 0, ​\(Q \)​ = 0, maka ​\(\Delta U \)​ = 0 .

Untuk setiap proses yang terjadi dalam sistem yang diisolasi secara termal, energi internalnya tidak berubah (hukum kekekalan energi internal).

Pertimbangkan sistem dua benda yang diisolasi secara termal dengan suhu yang berbeda. Setelah kontak, pertukaran panas akan terjadi di antara mereka. Benda dengan suhu lebih tinggi akan mengeluarkan sejumlah panas, dan benda dengan suhu lebih rendah akan menerimanya sampai suhu benda menjadi sama. Karena energi internal total seharusnya tidak berubah, maka seberapa banyak energi internal dari benda yang lebih panas berkurang, energi internal dari benda kedua harus meningkat sebanyak itu. Karena tidak ada usaha yang dilakukan, perubahan energi dalam sama dengan jumlah kalor.

Jumlah panas yang dilepaskan selama pertukaran panas oleh tubuh dengan suhu yang lebih tinggi sama dalam modulus dengan jumlah panas yang diterima oleh tubuh dengan suhu yang lebih rendah:

Kata lain: jika tubuh terbentuk sistem tertutup dan hanya pertukaran panas yang terjadi di antara mereka, maka jumlah aljabar diberikan \\ (Q_ (otd) \) dan menerima \ (Q_ (lantai) \) jumlah panas adalah nol:

Hukum pertama termodinamika

Hukum kekekalan dan transformasi energi, diperluas ke fenomena termal, disebut hukum pertama (awal) termodinamika.

Hal ini dimungkinkan untuk merumuskan hukum ini melanjutkan dari cara mengubah energi internal.

Perubahan energi internal sistem selama transisi dari satu keadaan ke keadaan lain sama dengan jumlah kerja gaya eksternal dan jumlah panas yang ditransfer ke sistem:

Jika kita mempertimbangkan kerja sistem itu sendiri pada benda-benda luar, maka hukum tersebut dapat dirumuskan sebagai berikut:

jumlah panas yang ditransfer ke sistem berubah untuk mengubah energi internalnya dan sistem melakukan kerja pada benda eksternal:

Jika sistem terisolasi dan tidak ada kerja yang dilakukan padanya dan tidak ada pertukaran panas dengan benda luar, maka dalam hal ini energi dalam tidak berubah. Jika panas tidak disuplai ke sistem, maka kerja sistem hanya dapat dilakukan dengan mengurangi energi dalam. Ini berarti tidak mungkin untuk membuat mesin gerak abadi- perangkat yang mampu melakukan pekerjaan tanpa konsumsi bahan bakar.

Hukum pertama termodinamika untuk isoproses

Proses isotermal:​\(Q=A'\,(T=const, \Delta U=0) \)​
Arti fisik: Semua panas yang dipindahkan ke gas digunakan untuk melakukan kerja.

Proses isobarik:\(Q=\Delta U+A' \) ​
Arti fisik: Panas yang disuplai ke gas digunakan untuk meningkatkan energi internalnya dan untuk melakukan kerja pada gas.

Proses isokhorik: \(Q=\Delta U\,(V=const, A'=0) \)​
Arti fisik: energi internal gas meningkat karena masukan panas.

proses adiabatik:\(\Delta U=-A' \)​ atau ​ \(A=\Delta U\,\mathbf((Q=0)) \)​
Arti fisik: Energi internal gas dikurangi dengan kerja yang dilakukan oleh gas. Akibatnya, suhu gas menurun.

Masalah mengubah energi internal tubuh

Tugas-tugas ini dapat dibagi menjadi beberapa kelompok:

• Ketika tubuh berinteraksi, energi internalnya berubah tanpa melakukan usaha lingkungan luar.
• Fenomena yang terkait dengan transformasi satu jenis energi menjadi energi lain selama interaksi dua benda dipertimbangkan. Akibatnya, ada perubahan energi internal satu benda karena kerja yang dilakukan olehnya atau di atasnya.

Saat memecahkan masalah kelompok pertama:

• untuk menetapkan di tubuh mana energi internal berkurang, dan di mana energi internal meningkat;
• tulis persamaan keseimbangan panas​\((\Delta U=0) \) , ketika ditulis dalam ekspresi ​\(Q =cm(t_2 - t_1) \) , untuk mengubah energi internal, Anda perlu mengurangi suhu awal dari suhu akhir tubuh dan jumlah istilah, dengan mempertimbangkan tanda yang dihasilkan;
• periksa solusinya.

Saat memecahkan masalah kelompok kedua:

• pastikan bahwa dalam proses interaksi benda, panas dari luar tidak disuplai ke mereka, mis. adalah \(Q = 0 \);
• tentukan mana dari dua benda yang berinteraksi yang memiliki perubahan energi internal dan apa penyebab perubahan ini - kerja yang dilakukan oleh tubuh itu sendiri, atau kerja yang dilakukan pada tubuh;
• tuliskan persamaan \(Q = \Delta U + A \) untuk benda yang energi dalamnya berubah, dengan mempertimbangkan tanda sebelum kerja dan efisiensi proses yang ditinjau;
• jika pekerjaan dilakukan karena penurunan energi internal salah satu benda, maka \ (A = - \ Delta U \) , dan jika energi internal tubuh meningkat karena kerja yang dilakukan pada tubuh, lalu \ (A \u003d \ Delta U \ );
• temukan ekspresi untuk \(\Delta U \)​ dan ​\(A \);
• substitusikan dalam persamaan asli alih-alih ekspresi \(\Delta U \) dan \(A \) untuk mereka, dapatkan rasio akhir untuk menentukan nilai yang diinginkan;
• memecahkan persamaan yang dihasilkan sehubungan dengan nilai yang diinginkan;
• periksa solusinya.

Hukum kedua termodinamika

Semua proses di alam berlangsung hanya dalam satu arah. PADA arah sebaliknya mereka tidak dapat melanjutkan secara spontan. ireversibel sebuah proses disebut, kebalikannya yang dapat dilanjutkan hanya sebagai komponen dari proses yang lebih kompleks.

Contoh proses ireversibel:

• perpindahan panas dari benda yang lebih panas ke benda yang kurang panas;
• konversi energi mekanik menjadi energi dalam.

Hukum pertama termodinamika tidak mengatakan apapun tentang arah proses di alam.

Hukum kedua termodinamika menyatakan ireversibilitas proses yang terjadi di alam. Ada beberapa formulasi.

Hukum kedua termodinamika (formulasi Clausius):
tidak mungkin untuk mentransfer panas dari lebih banyak sistem dingin ke yang lebih panas tanpa adanya perubahan simultan di kedua sistem atau benda di sekitarnya.

Hukum kedua termodinamika (formulasi Kelvin):
tidak mungkin untuk melakukan proses periodik seperti itu, satu-satunya hasil yang akan menjadi produksi kerja karena panas yang diambil dari satu sumber.

Formulasi ini juga mengatakan bahwa tidak mungkin membangun mesin gerak abadi jenis kedua, yaitu mesin yang bekerja dengan mendinginkan satu benda.

Penting!
Dalam perumusan hukum kedua termodinamika sangat penting memiliki kata-kata "hasil tunggal". Jika proses yang dimaksud bukan satu-satunya, maka larangan itu dicabut. Misalnya, di lemari es, panas dipindahkan dari benda yang lebih dingin ke benda yang dipanaskan, dan pada saat yang sama, proses kompensasi untuk mengubah energi mekanik benda di sekitarnya menjadi energi internal dilakukan.

Hukum kedua termodinamika berlaku untuk sistem dengan sejumlah besar partikel. Dalam sistem dengan sejumlah kecil partikel, fluktuasi dimungkinkan - penyimpangan dari keseimbangan.

efisiensi mesin panas

Koefisien tindakan yang bermanfaat(efisiensi) dari mesin kalor (engine) adalah rasio kerja \(A \) yang dilakukan oleh mesin per siklus dengan jumlah panas \(Q_1 \) yang diterima per siklus dari pemanas:

Mesin kalor dengan efisiensi maksimum diciptakan oleh Carnot. Mesin melakukan proses melingkar ( siklus carnot), di mana, setelah serangkaian transformasi, sistem kembali ke keadaan awalnya.

Siklus Carnot terdiri dari empat tahap:

1. Ekspansi isotermal (pada gambar - proses 1-2). Di awal proses badan kerja memiliki suhu \(T_1 \) , yaitu suhu pemanas. Kemudian tubuh dibawa ke dalam kontak dengan pemanas, yang secara isotermal (pada suhu konstan) mentransfer jumlah panas ke sana \(Q_1 \) . Pada saat yang sama, volume fluida kerja meningkat.
2. Ekspansi adiabatik (pada gambar - proses 2–3). Fluida kerja terlepas dari pemanas dan terus memuai tanpa pertukaran panas dengan lingkungan. Pada saat yang sama, suhunya menurun ke suhu lemari es \ (T_2 \) .
3. Kompresi isotermal (pada gambar - proses 3-4). Fluida kerja, yang pada saat itu memiliki suhu \\ (T_2 \) , dibawa ke dalam kontak dengan lemari es dan mulai berkontraksi secara isotermal, memberikan lemari es sejumlah panas \ \ (Q_2 \) .
4. Kompresi adiabatik (pada gambar - proses 4–1). Fluida kerja dipisahkan dari lemari es. Pada saat yang sama, suhunya meningkat ke suhu pemanas \ (T_1 \) .

Efisiensi siklus Carnot:

Hal ini menunjukkan bahwa efisiensi siklus Carnot dengan gas ideal hanya bergantung pada suhu pemanas\((T_1) \)​ dan pendingin \((T_2) \) .

Kesimpulan berikut mengikuti dari persamaan:

• untuk meningkatkan efisiensi mesin panas, perlu untuk meningkatkan suhu pemanas dan mengurangi suhu lemari es;
• Efisiensi mesin kalor selalu kurang dari 1.

Siklus Carnot adalah reversibel, karena semua bagian penyusunnya adalah proses kesetimbangan.

Efisiensi mesin panas: mesin pembakaran internal- 30%, mesin diesel - 40%, turbin uap - 40%, turbin gas - 25–30%.

Prinsip pengoperasian mesin kalor

mesin panas disebut alat yang mengubah energi dalam bahan bakar menjadi energi mekanik.

Bagian utama dari mesin panas:

• Pemanas- benda dengan suhu konstan yang mengubah energi internal bahan bakar menjadi energi gas. Dalam setiap siklus operasi mesin, pemanas mentransfer sejumlah panas ke fluida kerja.
• badan kerja adalah gas yang bekerja ketika memuai.
• Kulkas- benda dengan suhu konstan, di mana fluida kerja mentransfer sebagian panas.

Setiap mesin panas menerima panas dari pemanas\(Q_1 \)​ dan mentransfer jumlah panas\(Q_2 \) ke lemari es. Karena ​\(Q_1 > Q_2 \) , maka pekerjaan dilakukan ​\(A’ = Q_1 – Q_2 \) .

Mesin kalor harus beroperasi secara siklis, sehingga pemuaian fluida kerja harus diganti dengan kompresinya. Usaha untuk memuaikan gas harus lebih banyak pekerjaan kompresi yang dilakukan oleh gaya eksternal (kondisi untuk pekerjaan yang bermanfaat). Suhu gas selama ekspansi harus lebih tinggi dari suhu selama kompresi. Kemudian tekanan gas di semua keadaan antara selama kompresi akan lebih kecil daripada selama ekspansi.

Dalam mesin panas nyata, pemanas adalah ruang bakar. Di dalamnya, fluida kerja dipanaskan oleh panas yang dilepaskan selama pembakaran bahan bakar. Jumlah panas yang dilepaskan selama pembakaran bahan bakar dihitung dengan rumus:

dimana \(q \) – panas spesifik pembakaran bahan bakar, \ (m \) - massa bahan bakar.

Kulkas paling sering di mesin nyata adalah atmosfer.

Jenis mesin panas:

• mesin uap;
• turbin (uap, gas);
• mesin pembakaran internal (karburator, diesel);
• mesin jet.

Mesin termal banyak digunakan di semua jenis transportasi: di mobil - mesin pembakaran internal; pada transportasi kereta api– mesin diesel (pada lokomotif diesel); pada transportasi air– turbin; dalam penerbangan - mesin turbojet dan jet. Di pembangkit listrik termal dan nuklir mesin panas menggerakkan rotor alternator.

Isu energi dan lingkungan

Mesin termal banyak digunakan dalam transportasi dan energi (termal dan pembangkit listrik tenaga nuklir). Penggunaan mesin kalor sangat mempengaruhi keadaan biosfer bumi. Faktor-faktor berbahaya berikut dapat dibedakan:

• ketika bahan bakar dibakar, oksigen dari atmosfer digunakan, yang mengarah pada penurunan kandungan oksigen di udara;
• Ketika bahan bakar dibakar, karbon dioksida dilepaskan ke atmosfer. Konsentrasi karbon dioksida naik di atmosfer. Ini mengubah transparansi atmosfer saat molekul karbon dioksida menyerap radiasi infra merah, yang menyebabkan peningkatan suhu (efek rumah kaca);
• Ketika batubara dibakar, gas nitrogen dilepaskan ke atmosfer senyawa belerang dan senyawa timbal yang berbahaya bagi kesehatan manusia.

Memecahkan masalah perlindungan lingkungan dari efek berbahaya perusahaan energi panas membutuhkan pendekatan terpadu. Polutan massal selama pengoperasian pembangkit listrik termal adalah abu terbang, sulfur dioksida dan nitrogen oksida. Metode untuk mengurangi emisi tergantung pada sifat bahan bakar dan kondisi pencairannya. Pencegahan polusi fly ash dicapai dengan membersihkan seluruh volume produk pembakaran bahan bakar padat di pengumpul abu berkinerja tinggi. Pengurangan emisi nitrogen oksida dari produk pembakaran bahan bakar di pembangkit listrik termal, serta dalam siklus gabungan dan instalasi turbin gas, terutama dipastikan oleh teknologi pembakaran bahan bakar. Pengurangan emisi sulfur dioksida dapat dicapai berbagai metode peningkatan dan pengolahan bahan bakar di luar pembangkit listrik termal atau langsung di pembangkit listrik termal, serta pembersihan gas buang.

Kontrol emisi zat berbahaya pembangkit listrik dilakukan oleh perangkat khusus.

Dalam beberapa kasus itu sudah cukup solusi efektif Pembangunan filter-trap dan cerobong asap tetap menjadi masalah pemurnian emisi ke atmosfer. Cerobong asap memiliki dua tujuan: yang pertama adalah untuk menciptakan angin dan dengan demikian memaksa udara - peserta wajib dalam proses pembakaran - untuk memasuki tungku dalam jumlah yang tepat dan pada kecepatan yang tepat; yang kedua adalah untuk menghilangkan produk pembakaran (gas berbahaya dan yang ada dalam asap partikel) ke atmosfer atas. Karena gerakan turbulen yang terus menerus, gas berbahaya dan partikel padat terbawa dari sumbernya dan tersebar.

Untuk menghilangkan sulfur dioksida yang terkandung dalam cerobong asap pembangkit listrik termal, dibuat cerobong asap dengan ketinggian 180, 250 dan 320 m. Pembangkit listrik termal Di Rusia, mengerjakan bahan bakar padat, sekitar 100 juta ton abu dan terak dibuang ke tempat pembuangan sampah per tahun. Abu dan terak diambil area yang luas tanah berdampak buruk terhadap lingkungan.

Lebih dari setengah dari semua polusi diciptakan oleh transportasi. Salah satu cara untuk mengatasi masalah perlindungan lingkungan adalah dengan beralih ke mesin diesel, motor listrik, dan meningkatkan efisiensi.

Algoritma untuk memecahkan masalah bagian "Termodinamika":

• pilih sistem benda dan tentukan jenisnya (tertutup, tertutup secara adiabatik, tertutup secara mekanis, terbuka);
• cari tahu bagaimana parameter keadaan \((p,V,T) \) dan energi internal setiap benda sistem berubah selama transisi dari satu keadaan ke keadaan lain;
• tulis persamaan yang berkaitan dengan parameter dua keadaan sistem, rumus untuk menghitung perubahan energi internal setiap benda sistem selama transisi dari satu keadaan ke keadaan lain;
• tentukan perubahan energi mekanik sistem dan kerja gaya luar untuk mengubah volumenya;
• menuliskan rumus hukum pertama termodinamika atau hukum kekekalan dan transformasi energi;
• memecahkan sistem persamaan untuk nilai yang diinginkan;
• periksa solusinya.

Rumus dasar dari bagian "Termodinamika"

KULIAH #1

PENGERTIAN ENERGI DAN JENISNYA.

TERMODINAMIKA DAN METODENYA.

SISTEM TERMODINAMIKA.

Rekayasa panas - disiplin teknis umum yang mempelajari metode memperoleh, mengubah, mentransfer dan menggunakan panas, serta prinsip-prinsip operasi dan fitur desain generator panas dan uap, mesin panas, aparatus dan perangkat.

Termodinamika ( komponen teknik panas) mempelajari hukum konversi energi di berbagai proses fisika dan kimia terjadi dalam sistem makroskopik dan disertai dengan efek termal.

diketahui jenis yang berbeda energi: termal, listrik, kimia, magnet, dll. Tugas penelitian bisa berbeda - ini adalah termodinamika biosistem, termodinamika teknis, dll. Kami tertarik pada termodinamika teknis, yang mempelajari pola transformasi timbal balik panas dan energi mekanik(bersama dengan teori perpindahan panas) dan oleh karena itu merupakan dasar teoritis dari rekayasa panas. Tanpa landasan teoretis ini, mustahil untuk menghitung dan merancang mesin kalor.

Metode termodinamika adalah fenomenologis. Fenomena tersebut dianggap secara keseluruhan. Hubungan antara parameter makroskopik yang menentukan perilaku sistem ditetapkan oleh dua prinsip termodinamika. Sistem termodinamika adalah seperangkat benda material yang berada dalam interaksi mekanis dan termal satu sama lain dan dengan benda eksternal yang mengelilingi sistem.

Keadaan termodinamika tubuh (misalnya, gas) dicirikan oleh massanya, massa molar , tekanan, volume, suhu (dan mungkin jumlah lain, misalnya, mendefinisikannya komposisi kimia). Semua besaran ini disebut parameter termodinamika benda. Namun, seperti yang akan dilihat dari apa yang berikut, parameter seperti , memiliki makna hanya ketika benda, setidaknya mendekati, dalam apa yang disebut keadaan kesetimbangan termodinamika (tdr). Ini adalah nama keadaan di mana semua parameter termodinamika tetap konstan dari waktu ke waktu (untuk ini harus ditambahkan kondisi tidak adanya aliran stasioner). Jika, misalnya, gas dipanaskan dengan cepat, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 9.1, suhu bagian bejana A yang dipanaskan langsung akan lebih tinggi dari suhu bagian B. Tekanan di bagian A dan B juga tidak akan sama. Dalam hal ini, konsep suhu atau tekanan seluruh gas tidak masuk akal. Contoh lain adalah membiarkan seberkas molekul cepat menjadi gas. Jelas bahwa tidak masuk akal untuk berbicara tentang suhu gas sampai molekul cepat, karena serangkaian tumbukan dengan yang lain, memperoleh kecepatan orde kecepatan rata-rata molekul lain, dengan kata lain, sampai sistem mencapai keadaan s.f.r.

Dalam keadaan dll. untuk setiap zat, parameter termodinamika saling berhubungan dengan apa yang disebut persamaan keadaan:

Di sini R=8,31 J/(molK) adalah konstanta gas universal, - masa molar. Untuk karbon (C), nilai adalah 12g, untuk hidrogen (H 2) - 2g, untuk oksigen (O 2) - 32g, untuk air (H 2 O) - 18g, dll.

Satu mol zat apa pun mengandung jumlah molekul yang sama N 0, yang disebut bilangan Avogadro:

Rasio konstanta gas universal R dengan bilangan Avogadro (yaitu konstanta gas universal per molekul) disebut konstanta Boltzmann:

Gas ideal adalah gas yang sangat dijernihkan sehingga memenuhi persamaan (1.2) atau (1.6). Arti dari definisi ini adalah, jelas, bahwa untuk memenuhi persamaan (1.6), gas harus cukup dijernihkan. Jika gas, di sisi lain, dikompresi hingga cukup kepadatan tinggi(disebut gas nyata), maka alih-alih (1.6) kita memiliki

Pilihan sistem termodinamika adalah sewenang-wenang. Pilihannya ditentukan oleh kondisi masalah yang sedang dipecahkan. Badan yang tidak termasuk dalam sistem adalah lingkungan. Pemisahan sistem termodinamika dan lingkungan dilakukan oleh permukaan kendali. Jadi, misalnya, untuk sistem termodinamika paling sederhana silinder-gas-piston, lingkungan udara sekitar, dan permukaan kontrol adalah cangkang silinder dan piston. Interaksi mekanik dan termal dari sistem termodinamika dilakukan melalui permukaan kontrol.

Selama interaksi mekanis dari sistem itu sendiri atau di atasnya, pekerjaan dilakukan. Perlu dicatat bahwa pekerjaan dapat dilakukan di bawah pengaruh orang lain listrik- listrik, magnet.

Mempertimbangkan contoh dengan sistem silinder-piston, kita dapat mencatat hal berikut: pekerjaan mekanis dihasilkan ketika piston bergerak dan disertai dengan perubahan volume. Interaksi termal terdiri dari transfer panas antara tubuh individu dari sistem dan antara sistem dan lingkungan. Dalam contoh yang sedang dipertimbangkan, panas dapat disuplai ke gas melalui dinding silinder. Untuk sistem termodinamika terbuka, pertukaran terjadi dengan lingkungan dan materi (proses perpindahan massa). Berikut ini, kita akan membahas sistem termodinamika tertutup. Jika sistem terisolasi secara termal, maka kita menyebutnya adiabatik, misalnya, gas dalam bejana dengan isolasi termal yang ideal. Sistem seperti itu tidak mempertukarkan panas atau materi dengan lingkungan dan disebut tertutup (terisolasi).

Transformasi panas menjadi kerja dan sebaliknya kerja menjadi panas dilakukan oleh sistem yang mewakili gas dan uap, mereka disebut benda kerja.

Dalam perkembangan termodinamika sebagai ilmu kontribusi besar dibuat oleh ilmuwan Rusia: M.V. Lomonosov - mendefinisikan esensi panas sebagai gerakan internal materi, di samping itu, ia menentukan esensi dari hukum termodinamika yang dikembangkan kemudian, seratus tahun sebelum Clausius (1850), memberikan isi hukum kedua termodinamika, hitungan diberikan oleh Lomonosov dalam dua karyanya tahun 1750 dan 1760. Kita bisa menyebut G.G. Hess (1840), yang membuat undang-undang tentang efek termal reaksi kimia, prof. Schiller N.N. (Universitas Kyiv) - memberi lebih dari pembenaran yang ketat hukum kedua termodinamika, prof. Afanas'eva-Ehrenfest T.A. untuk pertama kalinya menunjukkan kelayakan interpretasi terpisah dari hukum kedua termodinamika untuk proses kesetimbangan dan non-kesetimbangan. Penelitian dalam istilah terapan dan teoretis dilakukan oleh para ilmuwan dari Moscow Higher Technical School Grinevetsky V.I., Kirsh K.V., Mertsalov N.I., Ramzin L.K., Oshurkov B.M. Buku teks Soviet pertama tentang termodinamika ditulis oleh Oshurkov B.M. Ilmuwan VTI, MPEI Vukalovich M.P., Kirillin V.A., Novikov I.I., Timrot D.A., Vargaftik N.B. melakukan penelitian ekstensif untuk mendapatkan data baru tentang sifat termofisika sejumlah badan kerja baru. Dari ilmuwan asing kontribusi besar Sadi Carnot, R. Stirling, R. Mayer, Clausius, Helmholtz, Joule, Thomson, Reynolds dan lain-lain berkontribusi pada pengembangan termodinamika Omong-omong, R. Stirling 8 tahun sebelum S. Carnot pada tahun 1816 mematenkan mesin yang tidak bekerja karena udara panas.

1 DK 536.7(07) + 536.24 Pengulas: Departemen Teknik Panas dan Pembangkit Listrik Tenaga Panas St. Petersburg Universitas Negeri alat komunikasi (Doktor Ilmu Teknik, Prof. I.G. Kiselev), Profesor B.S. Fokin (JSC NPO "TsKTI dinamai I.I. Polzunov") Sapozhnikov S.Z., Kitanin E.L. Termodinamika teknis dan perpindahan panas: Buku teks untuk universitas. St. Petersburg: Penerbitan Universitas Teknik Negeri St. Petersburg, 1999. 319 hal. ISBN 5-7422-0098-6 Dasar-dasar termodinamika teknis dan perpindahan panas diuraikan. Prinsip-prinsip termodinamika, metode untuk menghitung proses termodinamika dengan gas ideal dan dengan fluida kerja nyata, siklus pembangkit listrik, mesin pendingin dan pompa panas disajikan. Proses konduksi panas stasioner dan non-stasioner, perpindahan panas konveksi, dan perpindahan panas oleh radiasi dijelaskan. Dasar-dasar perhitungan termal penukar panas diberikan. Dirancang untuk bujangan di arah 551400 "Terestrial" sistem transportasi ". I8BN 5-7422-0098-6 Universitas Teknik Negeri St. Petersburg, 1999 Sapozhnikov S.Z., Kitanin E.L., 1999 2 DAFTAR ISI Kata Pengantar........................ ........................................................................ ........ .... 1. TERMODINAMIKA TEKNIS ............... 1.1. Pokok bahasan dan metode termodinamika teknis ....... 1.2. Konsep dasar termodinamika ........................ 1.2.1. Sistem termodinamika dan parameter termodinamika .................................................. ................. .............. 1.2.2. Kesetimbangan termodinamika dan kesetimbangan proses termodinamika ............................................ ...... 1.2.3. Persamaan termal keadaan. Diagram permukaan dan keadaan termodinamika…………………………………………………. 1.2.4. Campuran gas ideal ............................................................ 1.2.5. Energi, usaha, panas ................................................... 1.2.6. Kapasitas panas ................................................... ......... 1.3. Hukum pertama termodinamika .................................................. 1.3.1. Persamaan awal pertama ................................... 1.3.2. Energi dalam sebagai fungsi keadaan .................................................. ................................................................... 1.3.3. Entalpi dan sifat-sifatnya ............................................................ 1.3.4. Persamaan hukum pertama untuk gas ideal ......................................... ................................................................... .................. 1.4. Analisis proses dengan gas ideal ................................. 1.4.1. Proses isobarik............................................................. 1.4. 2. Proses isokhorik ................................................................. .... 1.4 .3. Proses isotermal............................................................. 1.4. 4. Proses adiabatik................................................................ .... 1.4.5 . Proses politropik ........................................ 1.4.6. Kompresi gas dalam kompresor bolak-balik ............... 1.5. Hukum kedua termodinamika .............................................. .1.5.1. Proses reversibel dan ireversibel ................. 1.5.2. Siklus dan efisiensinya ......................................................... ......... ...... 1.5.3. Pernyataan hukum kedua ................................. 1.5.4. Siklus Carnot. Teorema Carnot ................................... 3 1.5.5. Entropi, perubahannya dalam proses reversibel dan ireversibel ......................................... ..................... ................................. 1.5.6. diagram keadaan T-s. Perubahan entropi dalam proses gas ideal .................. ........................................................ . .................. 1.5.7. Skala suhu termodinamika ............... 1.6. Siklus mesin pembakaran internal reciprocating .............................................. ................................................................... .... 1.6.1. Siklus dengan suplai panas isokhorik (siklus Otto) 1.6.2. Siklus dengan suplai panas isobarik (siklus Diesel) ......................................... ................................................................... .................... ................. 1.6.3. Perbandingan efisiensi siklus mesin pembakaran dalam .............. 1.7. Siklus pembangkit turbin gas.................................................. 1.7.1. Skema dan siklus dengan suplai panas isobarik 1.7.2. Efisiensi termal dari siklus Brayton................................. 1.7.3. Siklus regeneratif GTU .................................................. 1.7 .4. Efisiensi siklus nyata................... 1.8. Termodinamika benda kerja nyata.............................. 1.8.1. Persamaan keadaan gas nyata ............... 1.8.2. Perubahan wujud agregat materi.... 1.8.3. Nyatakan Diagram dan Tabel .................................. 1.9. Siklus pembangkit listrik tenaga uap .................................. 1.9.1. Siklus Steam Carnot ............................................................ ... 1.9.2. Siklus Rankine ................................................... .. ..... 1.10. Siklus mesin refrigerasi dan pompa kalor 1.10.1 Siklus terbalik Carnot .................................. ............... 1.10 .2. Siklus refrigerasi kompresi uap dengan steam superheat dan throttling .............................. 1.10.3. Siklus pompa panas................................................. 1.11 . Udara basah................................................................ .......... 1.11.1 Konsep dan definisi dasar .................. 1.11.2. h–d-diagram udara lembab............... 2. PERALIHAN PANAS............................. ................................... 4 2.1. Representasi umum tentang perpindahan panas ........................ 2.2. Konduktivitas termal................................................ ....... 2.2.1. Konsep dan definisi dasar ............... 2.2.2. Hipotesis Bio-Fourier .................................. 2.2.3 Persamaan Diferensial Konduksi Panas. ……………………………………………………………… 2.2.4. Kondisi keunikan .................. 2.2.5 Model benda dalam masalah konduksi panas ..... ......... 2.3. Konduktivitas termal stasioner ........................................ 2.3.1. Konduktivitas termal pelat dan cangkang ......... 2.3.2. Konduktivitas termal permukaan bergaris. 2.4. Konduktivitas termal non-stasioner ................................. 2.4.1. Konduktivitas termal benda tipis termal...... 2.4.2. Konduktivitas termal dari tubuh dan batang semi-tak terbatas ........................................ ........................ .......... 2.4.3. Pemanasan dan pendinginan pelat, silinder dan bola. 2.4.4. Pemanasan dan pendinginan benda berdimensi berhingga…….. 2.4.5. Rezim termal reguler ................................... 2.5. Perkiraan metode teori konduksi panas 2.5.1. Analogi Elektrotermal ............................. 2.5.2. Metode grafis ........................................ 2.5.3. Metode beda hingga ........................................ 2.6. Pondasi fisik perpindahan panas konveksi.. 2.6.1. Konsep dasar dan definisi .................. 2.6.2 Persamaan diferensial perpindahan panas konveksi .................. ........................................ 2.7. Dasar-dasar teori kesamaan ............................................ .. 2.7.1. Kesamaan fenomena fisis ................................... 2.7.2. Teorema kesamaan................................................................ .... 2.7.3 . Persamaan persamaan ................................................... .. 2.7.4. Aturan Pemodelan .................................. 2.8. Perpindahan panas konveksi dalam medium fase tunggal..... 2.8.1. Rezim aliran cairan dan gas ............... 5 2.8.2. Lapisan batas............................................................. 2.8. 3. Perpindahan panas pada lapisan batas laminar pada permukaan datar ........................................ ......................... ......... 2.8.4. Perpindahan panas pada lapisan batas turbulen pada permukaan datar .................................................. .................... ... 2.8.5. Perpindahan panas selama konveksi paksa dalam pipa dan saluran ......................................... ......... 2.8.6. Perpindahan panas pada bagian aliran yang distabilkan. Integral Lyon............................. ........ 2.8.7. Perpindahan panas dalam aliran laminar dalam pipa ……………………………………………….. 2.8.8. Perpindahan panas pada aliran turbulen dalam pipa... 2.8.9. Perpindahan panas dalam aliran di sekitar pipa dan bundel tabung ........................................ ................................................................... ... 2.8.10. Perpindahan panas dengan konveksi bebas ........ 2.8.11. Perpindahan panas dalam media terfluidisasi ....... 2.9. Perpindahan panas konveksi selama perebusan dan kondensasi .................................................. ................................................................... 2.9.1. Pertukaran panas didih ........................................ 2.9.2. Kondensasi Perpindahan Panas ................................................ 2.9.3. Pipa panas ................................................... ................ 2.10. Pertukaran panas dengan radiasi ............................................................ 2.10.1. Basis fisis radiasi................................. 2.10.2. Perhitungan perpindahan panas secara radiasi ............... 2.10.3. Radiasi matahari ................................................... 2.10. 4. Perpindahan panas kompleks ........................................ 2.11. Penukar panas ................................................ ................ ......... 2.11.1 Klasifikasi dan tujuan .......... 2.11.2. Dasar-dasar perhitungan termal .................................. 2.11.3 Efisiensi penukar panas. Koefisien perpindahan panas yang sebenarnya .............................................. 2.11.4. Perhitungan hidrolik penukar panas ... Referensi ......................................... ......... ................... 6 KATA PENGANTAR “Termodinamika Teknis dan Perpindahan Panas” adalah salah satu mata kuliah utama yang diberikan kepada mahasiswa program sarjana jurusan “Sistem transportasi darat”. Penuh dengan informasi dan dikompresi dalam hal waktu belajar menjadi 1-2 semester, sehingga sebagian besar buku teks dasar tidak akan banyak membantu siswa: terlalu rinci, tidak fokus pada berbagai tugas yang terkait dengan sistem transportasi, dan, akhirnya, mereka hanya dirancang untuk kursus yang jauh lebih besar. Untuk insinyur transportasi, hal utama adalah memahami subjek dan ide-ide dasar termodinamika dan perpindahan panas, untuk menguasai terminologi mapan dari ilmu-ilmu ini. Sangat penting untuk diingat 10-15 rumus dasar(seperti, misalnya, persamaan keadaan gas ideal, rumus untuk menghitung perpindahan panas melalui pelat berlapis-lapis, hukum Stefan-Boltzmann, dll.). Selebihnya informasi, betapapun pentingnya, Anda hanya perlu memahami, menyajikan secara fisik, hubungkan dengan contoh-contoh dari berbagai bidang kehidupan dan teknologi. Oleh karena itu, penulis mencoba memberikan perhatian utama pada sisi fisik dari fenomena yang sedang dipertimbangkan, dan meninggalkan tempat yang layak, tetapi sederhana untuk peralatan matematika. Para penulis mengucapkan terima kasih yang mendalam kepada para pengulas - departemen "Rekayasa panas dan pembangkit listrik termal" dari Universitas Transportasi Kereta Api Universitas Negeri St. Petersburg yang diwakili oleh Dr. Ilmu prof. I.G. Kiseleva dan Ph.D. teknologi Asosiasi Ilmu Pengetahuan. V. I. Krylov, serta Dr. tech. Ilmu prof. B. S. Fokin atas komentarnya yang berharga, yang memungkinkan penyempurnaan teks aslinya. Terima kasih khusus - Cand. teknologi Sciences G. G. Gavre atas bantuannya dalam mempersiapkan naskah; dia datang dengan ide untuk membandingkan N, - metode untuk menghitung penukar panas dengan skema perhitungan tradisional. Dan, tentu saja, bantuan dalam mendesain buku para karyawan departemen sangat berharga. Landasan teori Teknik Panas” dari Universitas Teknik Negeri St. Petersburg 7 E. O. Vvedenskaya, R. M. Groznoy, mahasiswa pascasarjana Yu. V. Burtseva dan E. M. Rotinyan. S. Sapozhnikov E. Kitanin 8 1. TERMODINAMIKA TEKNIS 1.1 SUBJEK DAN METODE TERMODINAMIKA TEKNIS Termodinamika - ilmu tentang transformasi energi - adalah dasar bagi seorang insinyur teknik tenaga. Kelahiran termodinamika bertepatan dengan kemunculan mesin uap pertama. Pada tahun 1824, insinyur Prancis S. Carnot mempertimbangkan interaksi energi air dan uap dengan berbagai bagian mesin dan dengan lingkungan, ia memiliki peringkat efisiensi pertama mesin uap. Sejak itu, proses dalam mesin listrik, transformasi agregat zat, fisikokimia, plasma, dan proses lainnya telah menjadi subjek studi termodinamika. Studi ini didasarkan pada metode termodinamika: objek studi dapat berupa benda apa saja yang termasuk dalam apa yang disebut sistem termodinamika. Sistem ini harus: cukup luas dan kompleks sehingga keteraturan statistik diamati di dalamnya (pergerakan molekul zat dalam volume tertentu, pemanasan dan pendinginan partikel bahan padat dalam timbunan, dll.); tertutup, yaitu memiliki batas di semua arah spasial dan terdiri dari jumlah partikel yang terbatas. Tidak ada batasan lain untuk sistem termodinamika. Objek dunia materi, tidak termasuk dalam sistem termodinamika, disebut lingkungan. Kembali ke karya S. Carnot, kami mencatat bahwa air dan uap yang diperoleh darinya adalah sistem termodinamika. Dengan menelusuri interaksi energi air dan uap dengan benda-benda di sekitarnya, dimungkinkan untuk mengevaluasi efisiensi konversi panas yang disuplai ke mesin menjadi kerja. Tetapi mesin listrik modern tidak selalu menggunakan air untuk mengubah energi. Kami setuju untuk menyebut media apa pun yang digunakan untuk mengubah energi sebagai benda kerja. 9 Dengan demikian, subjek termodinamika teknis adalah hukum-hukum konversi energi dalam proses interaksi benda kerja dengan elemen-elemen mesin tenaga dan dengan lingkungan, analisis kesempurnaan mesin tenaga, serta studi tentang sifat-sifat kerja. tubuh dan perubahannya dalam proses interaksi. Tidak seperti fisika statistik, yang mempelajari model fisik suatu sistem dengan pola interaksi yang jelas antara mikropartikel, termodinamika dalam kesimpulannya tidak terhubung dengan struktur tubuh apa pun dan dengan bentuk hubungan tertentu antara elemen-elemen struktur ini. Termodinamika menggunakan hukum karakter universal, yaitu, berlaku untuk semua benda, terlepas dari strukturnya. Hukum-hukum ini membentuk dasar dari semua penalaran termodinamika dan disebut prinsip-prinsip termodinamika. Prinsip pertama mengungkapkan hukum kekekalan energi - hukum alam universal. Ini menentukan keseimbangan energi dalam interaksi dalam sistem termodinamika, serta antara sistem termodinamika dan lingkungan. Hukum kedua menentukan arah transformasi energi dan secara signifikan memperluas kemungkinan metode termodinamika. Kedua prinsip tersebut bersifat eksperimental dan dapat diterapkan pada semua sistem termodinamika. Berdasarkan dua prinsip ini, yang disajikan dalam bentuk matematis, dimungkinkan untuk menyatakan parameter pertukaran energi di berbagai interaksi, menetapkan hubungan antara sifat-sifat zat, dll. Namun, untuk membawa hasil ke angka tertentu, "sumber daya internal" termodinamika saja tidak cukup. Perlu menggunakan hasil eksperimen atau teoritis yang memperhitungkan sifat fluida kerja dalam sistem termodinamika nyata. Jika, misalnya, seseorang menggunakan data eksperimen tentang kepadatan suatu zat, maka dengan bantuan analisis termodinamika seseorang dapat menghitung kapasitas panasnya, dll. 10 Jadi, studi termodinamika didasarkan pada hukum dasar alam. Pada saat yang sama, perhitungan teknik dalam termodinamika tidak mungkin dilakukan tanpa menggunakan data eksperimen atau hasil studi teoretis. properti fisik badan kerja. 1.2. KONSEP DASAR TERMODINAMIKA 1.2.1. Sistem termodinamika dan parameter termodinamika Kami telah menyebut sistem termodinamika setiap benda atau sistem benda yang berinteraksi satu sama lain dan (atau) dengan lingkungan (sistem seperti itu dapat, khususnya, mencakup benda kerja mesin tenaga). Definisi tersebut tidak merinci apa sebenarnya yang dianggap sebagai sistem termodinamika, dan apa yang dianggap sebagai lingkungan. Hal ini dimungkinkan, misalnya, untuk mempertimbangkan fluida kerja itu sendiri sebagai sistem termodinamika, dan untuk mempertimbangkan "segala sesuatu yang lain" sebagai lingkungan; adalah mungkin untuk memilih hanya satu bagian tubuh, dan menganggap bagian tubuh lainnya dan semua tubuh lainnya sebagai lingkungan. Dimungkinkan, sebaliknya, untuk memperluas sistem termodinamika - untuk memasukkan di dalamnya, selain benda pertama, beberapa lainnya, dan menganggap semua benda lain sebagai lingkungan. Perluasan atau penyempitan lingkaran benda yang membentuk sistem termodinamika seperti itu memungkinkan kita untuk mengetahuinya fitur penting benda kerja dan interaksi energi di antara mereka. Diketahui bahwa zat yang sama dapat berada dalam keadaan cair, gas atau padat. Dalam hal ini, tentu saja, sifat-sifat zat ini, sistem termodinamika ini, juga akan berbeda, misalnya, kepadatan, koefisien ekspansi volumetrik, permeabilitas magnetik, kecepatan suara, dll. Semua ini, serta kuantitas lain yang mencirikan keadaan sistem termodinamika, disebut keadaan parameter termodinamika. Ada banyak dari mereka; secara tradisional mengalokasikan

Definisi 1

Termodinamika dianggap sebagai cabang fisika yang mempelajari transformasi timbal balik dari berbagai jenis energi, saling berhubungan dengan transisinya ke format panas dan kerja.

Hal utama nilai praktis termodinamika terletak pada kemungkinan penghitungan efek termal dari reaksi, indikasi awal kemungkinan atau ketidakmungkinan reaksi, dan juga kondisi untuk perjalanannya.

Definisi 2

Perpindahan panas adalah suatu proses fisika yang intinya adalah perpindahan energi panas. Pertukaran dilakukan antara dua badan atau sistem mereka. Sebuah prasyarat dalam hal ini, perpindahan panas dari benda yang dipanaskan dengan kuat akan menjadi kurang panas.

Inti dari termodinamika dalam fisika

Termodinamika, menjadi bagian yang tidak terpisahkan teknik panas, terlibat dalam studi tentang hukum transformasi energi dalam berbagai kimia dan proses fisik, yang diproduksi dalam sistem makroskopik dan disertai dengan efek termal.

Jenis energi berikut ini dikenal:

• panas;
• listrik;
• bahan kimia;
• magnetis, dll.

Tugas utama penelitian dalam fisika adalah termodinamika biosistem dan termodinamika teknis.

Termodinamika teknis, pada gilirannya, berkaitan dengan studi tentang pola transformasi timbal balik energi mekanik dan termal (dalam kombinasi dengan teori perpindahan panas) dan karena itu bertindak sebagai landasan teoretis untuk rekayasa panas, jika tidak ada yang membuatnya tidak mungkin. untuk menghitung dan merancang mesin kalor.

Metode yang terlibat dalam termodinamika adalah fenomenologis. Fenomena ini dianggap di sini secara keseluruhan. Hubungan antara parameter makroskopik yang menentukan perilaku sistem ditetapkan oleh dua prinsip termodinamika.

Juga dalam termodinamika ada seperti konsep penting, sebagai sistem termodinamika, yang harus dipertimbangkan secara lebih rinci, untuk pemahaman yang lebih baik tentang proses termodinamika.

Sistem termodinamika

Gambar 1. Sistem termodinamika. Author24 - pertukaran online makalah siswa

Catatan 1

Sistem termodinamika adalah kompleks benda-benda material yang berada dalam keadaan interaksi mekanis dan termal antara mereka sendiri dan juga dengan benda-benda eksternal yang mengelilingi sistem ( kita sedang berbicara tentang lingkungan luar).

Pilihan sistem dalam hal ini akan sewenang-wenang dan ditentukan oleh kondisi masalah yang diusulkan untuk dipecahkan. Tubuh di luar sistem disebut lingkungan. Sistem itu sendiri, pada saat yang sama, dipisahkan dari lingkungan melalui permukaan kontrol (kulit khusus).

Ya, untuk sistem paling sederhana(misalnya, gas), yang tertutup di bawah piston di dalam silinder, udara di sekitarnya akan bertindak sebagai lingkungan eksternal, dan permukaan kontrol akan menjadi dinding silinder dan piston itu sendiri.

Interaksi jenis mekanis dan termal dari sistem termodinamika dilakukan dengan mengorbankan permukaan kontrol. Dalam proses interaksi mekanis, pekerjaan akan dilakukan baik oleh sistem itu sendiri atau di atasnya.

PADA kasus umum sistem dapat dipengaruhi oleh gaya magnet, listrik, dan gaya lainnya, yang di bawah pengaruhnya ia akan melakukan kerja. Jenis pekerjaan ini juga dapat diperhitungkan dalam kerangka termodinamika.

Interaksi termal akan berada dalam kerangka perpindahan panas antara tubuh individu dari sistem, serta antara sistem dan lingkungan. Dalam contoh yang paling umum, panas dapat disuplai ke gas oleh dinding silinder.

Dalam kasus yang paling umum, sistem dapat bertukar dengan lingkungan dan materi (sejenis interaksi perpindahan massa). Sistem seperti ini disebut sistem terbuka. Aliran uap atau gas di turbin dan pipa adalah contohnya sistem terbuka. Jika zat tidak melewati batas-batas sistem, itu akan disebut tertutup.

Sistem termodinamika yang tidak dapat menukar panas dengan lingkungan dianggap terisolasi secara termal (atau adiabatik). Contoh dari sistem semacam itu dapat berupa gas di dalam bejana, yang dindingnya ditutupi dengan insulasi termal yang ideal, yang mengecualikan kemungkinan pertukaran panas antara gas yang terkandung dalam bejana dan benda-benda di sekitarnya (kulit isolasi adiabatik).

Sistem tertutup (terisolasi) adalah sistem yang tidak bertukar dengan lingkungan baik melalui energi maupun melalui materi.

Sistem termodinamika yang paling sederhana dapat berupa fluida kerja yang mampu melakukan transformasi timbal balik antara kerja dan panas. Dalam mesin pembakaran internal, misalnya, fluida kerja akan menjadi campuran yang mudah terbakar yang disiapkan dalam karburator (terdiri dari uap bensin dan udara).

Fitur dari proses perpindahan panas

Perpindahan panas dianggap sebagai fenomena yang sangat mungkin implementasinya dalam kondisi kontak langsung, dan dengan adanya partisi pemisah (di mana badan bekas, serta bahan lingkungan, dapat menjadi penghalang).

Asal dari proses perpindahan panas menjadi mungkin dalam kasus-kasus ketika keadaan kesetimbangan termal tidak diamati. Dengan kata lain, ketika salah satu benda memiliki suhu yang lebih tinggi atau lebih rendah dari yang lain. Hanya dalam kasus seperti itu transfer energi panas dilakukan.

Penyelesaiannya akan terjadi ketika sistem itu sendiri mencapai keadaan kesetimbangan termal (atau termodinamika). Proses akan dilakukan secara spontan (dibuktikan dengan hukum kedua termodinamika).

Metode perpindahan panas dan konduktivitas termal

Proses perpindahan panas dapat dibagi menjadi tiga cara berikut, yang melekat pada sifat utama (dan di dalamnya subkategori tertentu dibedakan dengan fitur karakteristiknya sendiri):

• konduktivitas termal (properti badan material tertentu untuk melakukan transfer energi dari yang lebih panas ke yang lebih dingin);
• konveksi (semacam proses perpindahan panas, di mana partikel zat akan bercampur satu sama lain, efek serupa diamati pada cairan dan gas);
• radiasi ( radiasi elektromagnetik, yang kemunculannya menjadi mungkin karena energi internal tubuh. Ini memiliki spektrum kontinu, intensitas dan lokasi maksimum yang tergantung pada suhu tubuh).

Dasar dari fenomena seperti konduktivitas termal adalah prinsip gerakan kacau dari pergerakan molekul (yang disebut Gerak Brown). Semakin tinggi suhu tubuh, semakin aktif molekul mulai bergerak di dalamnya (karena memiliki energi kinetik yang lebih besar).

Selama proses konduksi panas Partisipasi aktif menerima atom, elektron, molekul. Hal ini dilakukan dalam tubuh, yang bagian yang berbeda suhu tidak sama.

Dalam hal kemampuan suatu zat untuk menghantarkan panas, kita dapat berbicara tentang keberadaan karakteristik kuantitatif. PADA kasus ini peran ini dimainkan oleh koefisien konduktivitas termal. Karakteristik seperti itu menunjukkan jumlah panas yang akan melewati indikator satuan luas dan panjang per satuan waktu. Dalam hal ini, perubahan suhu tubuh tepat 1 K diamati.

Konduktivitas termal- ini adalah jenis perpindahan panas di mana ada transfer energi langsung dari partikel (molekul, atom) dari bagian tubuh yang lebih panas ke partikel bagian yang kurang panas.

Pertimbangkan serangkaian percobaan dengan memanaskan zat padat, cair, dan gas.

Perpindahan panas radiasi.

Perpindahan panas radiasi- ini adalah perpindahan panas, di mana energi ditransfer oleh berbagai sinar.

Bisa jadi sinar matahari, serta sinar yang dipancarkan oleh benda panas di sekitar kita.

Jadi, misalnya, duduk di dekat api, kita merasakan bagaimana panas dipindahkan dari api ke tubuh kita. Namun, penyebab perpindahan panas tersebut tidak dapat berupa konduktivitas termal (yang sangat kecil untuk udara antara nyala dan tubuh), atau konveksi (karena aliran konveksi selalu mengarah ke atas). Di sini, jenis perpindahan panas ketiga terjadi - perpindahan panas radiasi.

Ambil labu kecil, diasapi di satu sisi.

Masukkan tabung kaca yang ditekuk pada sudut kanan melalui gabus ke dalamnya. Dalam tabung ini, yang memiliki saluran sempit, kami memasukkan cairan berwarna. Setelah memperbaiki skala pada tabung, kami mendapatkan perangkat - termoskop. Perangkat ini memungkinkan Anda mendeteksi bahkan sedikit pemanasan udara dalam labu asap.

Jika sepotong logam dipanaskan sampai suhu tinggi, maka kolom cairan akan bergerak ke kanan. Jelas, udara di dalam labu memanas dan mengembang. Pemanasan udara yang cepat dalam termoskop hanya dapat dijelaskan dengan transfer energi dari benda yang dipanaskan ke sana. Seperti dalam kasus kebakaran, energi di sini ditransfer bukan oleh konduktivitas termal dan bukan perpindahan panas konveksi. Energi dalam hal ini ditransfer dengan bantuan sinar tak terlihat yang dipancarkan oleh tubuh yang dipanaskan. Sinar ini disebut radiasi termal.

Perpindahan panas radiasi dapat terjadi dalam ruang hampa penuh. Ini membedakannya dari jenis perpindahan panas lainnya.

Semua tubuh memancarkan energi: baik panas kuat maupun lemah, misalnya, tubuh manusia, kompor, bola lampu listrik. Tetapi semakin tinggi suhu tubuh, semakin kuat radiasi termalnya. Energi yang terpancar, setelah mencapai benda lain, sebagian diserap oleh mereka, dan sebagian dipantulkan. Ketika diserap, energi radiasi termal diubah menjadi energi internal tubuh, dan mereka memanas.

Permukaan terang dan gelap menyerap energi secara berbeda. Jadi, jika dalam percobaan dengan termoskop, putar labu menjadi benda yang dipanaskan, pertama-tama diasap, dan kemudian sisi terang, maka kolom cairan dalam kasus pertama akan pindah ke jarak yang lebih jauh daripada yang kedua (lihat gambar di atas). Dari sini dapat disimpulkan bahwa benda dengan permukaan gelap menyerap energi lebih baik (dan karenanya lebih panas) daripada benda dengan permukaan terang atau specular.

Tubuh dengan permukaan gelap tidak hanya menyerap lebih baik, tetapi juga memancarkan energi lebih baik.

Kemampuan untuk menyerap energi radiasi dengan cara yang berbeda ditemukan aplikasi luas dalam teknologi. Sebagai contoh, balon dan sayap pesawat sering dicat perak agar tidak terlalu panas oleh sinar matahari.

Jika Anda perlu menggunakan energi matahari(Misalnya, untuk memanaskan beberapa peralatan yang terpasang di satelit buatan), maka perangkat ini dicat dengan warna gelap.