Για να ανακαλύψει πώς να αυξήσει την απόδοση της θερμικής μηχανής, ένας Γάλλος επιστήμονας ονόματι Sadi Carnot (1796-1832) εξέτασε μια ιδανική θεωρητική θερμιδική μηχανή το 1824. Εκείνη την εποχή, ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής δεν είχε διατυπωθεί, ούτε ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής. Ο πρώτος νόμος δεν έχει διατυπωθεί επειδή οι επιστήμονες δεν γνωρίζουν ακόμη ότι η θερμότητα είναι ενέργεια. Αφού ο Joule και οι συνάδελφοί του πειραματίστηκαν τη δεκαετία του 1830, οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι η θερμότητα είναι ενέργεια που κινείται λόγω των διαφορών θερμοκρασίας. Έτσι, ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής διατυπώθηκε μετά το 1830. Ο Sadi Carnot ερευνούσε την θεωρητική ιδανική θερμιδική μηχανή το 1824. Η έρευνά του είχε ως στόχο να αυξήσει την απόδοση της ατμομηχανής. Οι περισσότερες ατμομηχανές εκείνης της εποχής ήταν λιγότερο αποδοτικές.
Δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής
Για να εξηγήσουν τις μη αναστρέψιμες θερμοδυναμικές διεργασίες, οι επιστήμονες διατύπωσαν τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής. Ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής εξηγεί ποιες διεργασίες μπορούν να συμβούν στο σύμπαν και ποιες δεν μπορούν να συμβούν. Ένας επιστήμονας ονόματι RJE Clausius (1822-1888) έκανε την ακόλουθη δήλωση:
Φυσικά, η θερμότητα μετακινείται από αντικείμενα υψηλής θερμοκρασίας σε αντικείμενα χαμηλής θερμοκρασίας. Φυσικά, η θερμότητα δεν μετακινείται από αντικείμενα χαμηλής θερμοκρασίας σε αντικείμενα υψηλής θερμοκρασίας (Δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής—δήλωση του Κλαύσιου).
Η πρόταση του Clausius είναι μία από τις ειδικές προτάσεις του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής. Ονομάζεται ειδική πρόταση επειδή ισχύει μόνο για μία μόνο διαδικασία, η οποία σχετίζεται με τη μεταφορά θερμότητας. Δεδομένου ότι αυτή η πρόταση δεν σχετίζεται με άλλες διαδικασίες, χρειαζόμαστε μια πιο γενική πρόταση. Η ανάπτυξη μιας γενικής πρότασης του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής βασίζεται στη μελέτη των θερμικών μηχανών. Επομένως, συζητάμε πρώτα τη θερμότητα των μηχανών.
Θερμοδυναμικές διεργασίες: Ισοθερμική Αδιαβατική Ισοχωρική Ισοβαρική
Άρθρο Θερμοδυναμικές διεργασίες: Ισοθερμική Αδιαβατική Ισοχωρική Ισοβαρική
Υπάρχουν τέσσερις θερμοδυναμικές διεργασίες, οι ισόθερμες, οι ισόχωρες, οι ισοβαρικές και οι αδιαβατικές.
Ισοθερμική Διαδικασία (σταθερή θερμοκρασία)
Σε μια ισόθερμη διεργασία, η θερμοκρασία του συστήματος διατηρείται σταθερή. Θεωρητικά, το αναλυόμενο σύστημα είναι ένα ιδανικό αέριο. Η ιδανική θερμοκρασία αερίου είναι άμεσα ανάλογη με την ιδανική εσωτερική ενέργεια του αερίου (U = 3/2 n RT). Η T δεν αλλάζει, άρα και η U δεν αλλάζει. Έτσι, αν εφαρμοστεί στην ισόθερμη διεργασία, ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής εξίσωσης γίνεται:
Πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής
Θερμοδυναμική διαδικασία
Η θερμότητα (Q) είναι η ενέργεια που μετακινείται από το ένα αντικείμενο στο άλλο λόγω της διαφοράς θερμοκρασίας. Σχετικά με τα συστήματα και τα περιβάλλοντα, η θερμότητα είναι η ενέργεια που μετακινείται από σύστημα σε περιβάλλον ή η ενέργεια που μετακινείται από περιβάλλον σε σύστημα, λόγω της διαφοράς θερμοκρασίας. Εάν η θερμοκρασία του συστήματος είναι υψηλότερη από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος, η θερμότητα θα ρέει από το σύστημα στο περιβάλλον. Εάν η θερμοκρασία περιβάλλοντος είναι υψηλότερη από τη θερμοκρασία του συστήματος, τότε η θερμότητα ρέει από το περιβάλλον στο σύστημα.
Η θερμότητα (Q) είναι η ενέργεια που κινείται λόγω της διαφοράς θερμοκρασίας, ενώ το έργο (W) σχετίζεται με τη μεταφορά ενέργειας μέσω του έργου. Για παράδειγμα, εάν το σύστημα παράγει έργο στο περιβάλλον, τότε η ενέργεια μετακινείται από το σύστημα στο περιβάλλον. Αντίθετα, εάν το περιβάλλον παράγει έργο στο σύστημα, τότε η ενέργεια μετακινείται από περιβάλλον σε σύστημα.
Εγκάρσια κύματα – προβλήματα και λύσεις
1. Η απόσταση μεταξύ των δύο κοιλοτήτων των επιφανειακών κυμάτων του νερού είναι 20 m. Ένα αντικείμενο επιπλέει στην επιφάνεια του νερού έτσι ώστε να υφίσταται την ταλαντωτική κίνηση. Αν ο χρόνος που απαιτείται για να διανύσει μια ταλάντωση είναι 4 δευτερόλεπτα, τότε η ταχύτητα του κύματος είναι …. m/s
Α. 20
Β. 15
C. 10
Δ. 5
Γνωστό:
Ταχύτητα μηχανικών κυμάτων – προβλήματα και λύσεις
1. Η ταχύτητα του εγκάρσιου κύματος σε ένα σχοινί μήκους 25 μέτρων είναι 50 m/s. Η δύναμη εφελκυσμού του σχοινιού είναι 200 N. Προσδιορίστε τη μάζα του σχοινιού.
Α. 0.08 κιλά
Β. 0.5 κιλά
Γ. 0.8 κιλά
Δ. 2.0 κιλά
Γνωστό:
Απλή αρμονική κίνηση – προβλήματα και λύσεις
1. Ένα αντικείμενο δονείται με συχνότητα 5 Hz προς τα δεξιά και τα αριστερά. Το αντικείμενο κινείται από το σημείο ισορροπίας προς τη μέγιστη μετατόπιση προς τα δεξιά. Προσδιορίστε το χρονικό διάστημα που απαιτείται για να επιτευχθεί η μέγιστη μετατόπιση προς τα δεξιά έντεκα φορές.
Α. 2.05
Β. 2.20
C. 2.25
Δ. 2.50
Γνωστό:
Απλό εκκρεμές – προβλήματα και λύσεις
1. Δύο απλά εκκρεμή βρίσκονται σε δύο διαφορετικά σημεία. Το μήκος του δεύτερου εκκρεμούς είναι 0.4 φορές το μήκος του πρώτου εκκρεμούς και η επιτάχυνση της βαρύτητας που ασκείται από το δεύτερο εκκρεμές είναι 0.9 φορές η επιτάχυνση της βαρύτητας που ασκείται από το πρώτο εκκρεμές. Προσδιορίστε τη σύγκριση της συχνότητας του πρώτου εκκρεμούς με το δεύτερο εκκρεμές.
Α. 2/3
Β. 3/2
Γ. 4/9
Δ. 9/4
Συντονισμός ηχητικών κυμάτων – προβλήματα και λύσεις
1. Αφού δονηθεί το διαπασών Α, δονείται και το διαπασών Β. Το διαπασών Β δονείται επειδή…..
Α. Το διαπασών Α έχει το ίδιο πλάτος με το διαπασών Β
Β. Και τα δύο διαπασών χρησιμοποιούν το ίδιο κουτί συντονισμού
Γ. Το διαπασών Β έχει την ίδια συχνότητα με το διαπασών Α
Δ. Η χροιά των ήχων που προκαλούνται και από τα δύο διαπασών είναι η ίδια
Λύση
Πίεση ρευστών – προβλήματα και λύσεις
1.
Μια επιτάχυνση λόγω βαρύτητας είναι 10 N/kg. Η επιφάνεια του ψαριού που πιέζεται από το νερό από πάνω του είναι 6 cm2 . Προσδιορίστε τη δύναμη του νερού πάνω από τα ψάρια που ασκείται στα ψάρια.
Γνωστό: