Airteagal ar Chur i bhFeidhm an Chéad Dlí den Teirmidinimic ar roinnt próiseas teirmidinimiceach
Roimhe seo, phléamar an Chéad Dlí den Teirmidinimic agus rinneamar anailís ar an obair a dhéanann córas. An uair seo, scrúdóimid roinnt feidhmeanna den Chéad Dlí den Teirmidinimic i gceithre phróiseas teirmidinimiciúla. Is iad na ceithre phróiseas seo iseateirmeach, iseacórach, iseabarach, agus adiabatach. Díorthaítear na téarmaí seo ón nGréigis.
Próiseas Isothermal (teocht tairiseach)
Ar dtús, déanaimis athbhreithniú ar chur i bhfeidhm an chéad dlí den teirmidinimic ar phróiseas iseateirmeach. I bpróiseas iseateirmeach, coimeádtar teocht an chórais tairiseach. Is gás idéalach an córas atá á anailísiú againn go teoiriciúil. Tá teocht gáis idéalach comhréireach go díreach le fuinneamh inmheánach an gháis idéalach (U = 3/2 nRT). Ós rud é go bhfanann T tairiseach, fanann U tairiseach freisin. Dá bhrí sin, nuair a chuirtear i bhfeidhm é ar phróiseas iseateirmeach, is é seo an chothromóid don chéad dlí den teirmidinimic:
Ó na torthaí seo is féidir a thabhairt i gcrích, i bpróiseas iseateirmeach (teocht tairiseach), go n-úsáideann an córas an teas (Q) a chuirtear leis an gcóras chun obair (W) a dhéanamh.
Léirítear athruithe i mbrú agus i dtoirt an chórais i bpróiseas iseateirmeach sa ghraf thíos:
Ar dtús, toirt an chórais = V1 (toirt bheag) agus brú an chórais = P1 (brú ard). Chun teocht an chórais a choinneáil tairiseach, tar éis teas a chur leis an gcóras, leathnaíonn an córas agus déanann sé obair ar an timpeallacht. Tar éis don chóras obair a dhéanamh ar an timpeallacht, athraíonn toirt an chórais go V2 (méadaíonn toirt an chórais) agus athraíonn brú an chórais go P2 (laghdaíonn brú an chórais). Tá an graf cuartha mar ní athraíonn brú an chórais go rialta le linn an phróisis. Is é an méid oibre a dhéanann an córas = an limistéar scáthaithe.
Próiseas Adiabatach
I bpróiseas adaibéiteach, ní chuirtear aon teas leis an gcóras ná ní fhágann sé an córas (Q = 0). Is féidir le próisis adaibéiteacha tarlú i gcórais dhúnta, dea-aonraithe. I gcás córais dhúnta atá scoite amach go maith, is gnách nach mbíonn aon teas ag sreabhadh isteach sa chóras ná ag imeacht as de réir toil. Is féidir le próisis adaibéiteacha tarlú i gcórais dhúnta, neamh-aonraithe freisin.
Sa chás seo, ní mór an próiseas a chur i gcrích go han-tapa ionas nach mbeidh am ag an teas sreabhadh isteach sa chóras nó amach as. Nuair a chuirtear i bhfeidhm é ar phróiseas adiabatach, athraíonn cothromóid an Chéad Dlí den Teirmidinimic go dtí an fhoirm seo:
Má chomhbhrúitear an córas go tapa (déantar obair ar an gcóras), ansin bíonn an obair diúltach. Toisc go bhfuil W diúltach, ansin bíonn U dearfach (méadaíonn an fuinneamh sa chóras). Os a choinne sin, má leathnaíonn nó má leathnaíonn an córas go tapa (déanann an córas obair), ansin bíonn W dearfach. Toisc go bhfuil W dearfach, ansin bíonn U diúltach (laghdaíonn an fuinneamh sa chóras). Tá an fuinneamh sa chóras (gás idéalach) comhréireach go díreach leis an teocht (U = 3/2 nRT), dá bhrí sin má mhéadaíonn an fuinneamh sa chóras ansin méadaíonn teocht an chórais freisin. Os a choinne sin, má laghdaíonn an fuinneamh sa chóras ansin laghdaíonn teocht an chórais.
Léirítear athruithe i mbrú agus i dtoirt an chórais i bpróiseas adaibéiteach sa ghraf thíos:
Má chomhbhrúitear an córas go tapa (déantar obair ar an gcóras), ansin bíonn an obair diúltach. Toisc go bhfuil W diúltach, ansin bíonn U dearfach (méadaíonn an fuinneamh sa chóras). Os a choinne sin, má leathnaíonn nó má leathnaíonn an córas go tapa (déanann an córas obair), ansin bíonn W dearfach. Toisc go bhfuil W dearfach, ansin bíonn U diúltach (laghdaíonn an fuinneamh sa chóras). Tá an fuinneamh sa chóras (gás idéalach) comhréireach go díreach leis an teocht (U = 3/2 nRT), dá bhrí sin má mhéadaíonn an fuinneamh sa chóras ansin méadaíonn teocht an chórais freisin. Os a choinne sin, má laghdaíonn an fuinneamh sa chóras ansin laghdaíonn teocht an chórais.
Léirítear athruithe i mbrú agus i dtoirt an chórais i bpróiseas adaibéiteach sa ghraf thíos:
Tá an cuar adaibéiteach sa ghraf seo (cuartha 1-2) níos géire ná an cuar iseateirmeach (cuartha 1-3). Léiríonn an difríocht seo i ngéithe go laghdaíonn brú an chórais níos mó sa phróiseas adaibéiteach i gcomparáid leis an bpróiseas iseateirmeach leis an méadú céanna ar an toirt. Laghdaíonn brú an chórais níos mó sa phróiseas adaibéiteach mar nuair a tharlaíonn leathnú adaibéiteach, laghdaíonn teocht an chórais freisin. Tá an teocht comhréireach go díreach leis an mbrú, dá bhrí sin, má laghdaíonn teocht an chórais, laghdaíonn brú an chórais freisin. Os a choinne sin, i bpróiseas iseateirmeach, fanann teocht an chórais tairiseach. Dá bhrí sin, i bpróiseas iseateirmeach, ní dhéanann an teocht difear don laghdú brú.
Tarlaíonn sampla amháin de phróiseas a théann i dtreo comhbhrú adaibéiteach in innill dócháin inmheánaigh, amhail innill díosail agus gásailín. In inneall díosail, tarraingítear aer isteach i sorcóir agus comhbhrúitear go tapa é ag baint úsáide as loine (déantar obair ar an aer). Léirítear an próiseas comhbhrú adaibéiteach (laghdú ar thoirt an chórais) le cuar 2-1. Toisc go ndéantar an t-aer a chomhbhrú go tapa go adaibéiteach, ardaíonn teocht an aeir go tapa. Ag an am céanna, spraeáiltear díosal isteach sa sorcóir trí insteallóir, agus adhaintear an meascán láithreach (tarlaíonn dóchán). In inneall gásailín, tarraingítear an meascán aeir-gásailín isteach sa sorcóir agus comhbhrúitear go tapa é ag baint úsáide as loine. Toisc go bhfuil an comhbhrú adaibéiteach tapa, ardaíonn a theocht go tapa. Ag an am céanna, táirgeann an breiseán spréach splanc, rud a fhágann dóchán.
Próiseas iseacórach (toirt tairiseach)
I bpróiseas iseacórach, coinnítear toirt an chórais tairiseach. Ós rud é go bhfanann toirt an chórais tairiseach, ní féidir leis an gcóras obair a dhéanamh ar an timpeallacht. Mar an gcéanna, ní féidir leis an timpeallacht obair a dhéanamh ar an gcóras. Nuair a chuirtear i bhfeidhm é ar phróiseas iseacórach, is é cothromóid an Chéad Dlí den Teirmidinimic ná:
Ó na torthaí seo, is féidir linn a thabhairt i gcrích, i bpróiseas iseacórach (toirt tairiseach), go n-úsáidtear an teas (Q) a chuirtear leis an gcóras chun fuinneamh inmheánach an chórais a mhéadú.
Léirítear athruithe i mbrú agus i dtoirt an chórais i bpróiseas iseacórach sa ghraf thíos:
Ar dtús, is é brú an chórais p 1 (brú íseal). Fágann teas breise sa chóras go méadaíonn fuinneamh inmheánach an chórais. Toisc go méadaíonn fuinneamh inmheánach an chórais, méadaíonn teocht an chórais (gás idéalach) (U = 3/2 nRT). Tá an teocht comhréireach go díreach leis an mbrú. Dá bhrí sin, má mhéadaíonn teocht an chórais, méadaíonn brú an chórais (p 2 ). Toisc go bhfuil toirt an chórais tairiseach, ní dhéantar aon obair (níl aon limistéar scáthaithe).
Mar a luadh cheana, i bpróiseas iseacórach, ní féidir leis an gcóras obair a dhéanamh ar an timpeallacht. Mar an gcéanna, ní féidir leis an timpeallacht obair a dhéanamh ar an gcóras. Tá sé seo amhlaidh toisc, i bpróiseas iseacórach, go bhfanann toirt an chórais tairiseach, rud a chiallaíonn nach n-athraíonn sé. Ní bhíonn athruithe ar an toirt i gceist le cineálacha áirithe oibre. Dá bhrí sin, fiú má fhanann toirt an chórais tairiseach, is féidir obair a dhéanamh ar an gcóras fós. Mar shampla, bíonn lucht leanúna agus ceallraí i gcoimeádán dúnta. Is féidir leis an lucht leanúna rothlú ag baint úsáide as an bhfuinneamh a sholáthraíonn an ceallraí. Sa chás seo, meastar gur córas é an lucht leanúna, an ceallraí, agus an t-aer taobh istigh den choimeádán.
Nuair a rothlaíonn an lucht leanúna, déanann sé obair ar an aer sa choimeádán. Ag an am céanna, déantar fuinneamh cinéiteach an lucht leanúna a thiontú ina fhuinneamh san aer. Laghdaítear an fuinneamh leictreach sa cheallraí go nádúrtha toisc go bhfuil sé tiontaithe ina fhuinneamh san aer. Léiríonn an sampla seo gur féidir obair a dhéanamh ar an gcóras fós i bpróiseas iseacórach (toirt tairiseach) (obair nach mbíonn athrú ar an toirt i gceist léi).
Próiseas isobarach (brú tairiseach)
I bpróiseas isobarach, coinnítear brú an chórais tairiseach. Ós rud é gurb é an tairiseach brú, ní bhíonn na hathruithe ar fhuinneamh inmheánach (delta U), teas (Q), agus obair (W) i bpróiseas isobarach nialas riamh. Dá bhrí sin, fanann an chéad dlí den teirmidinimic slán:
ΔU = Q−W
Léirítear athruithe i mbrú agus i dtoirt an gháis sa phróiseas isobarach sa ghraf thíos:
Ar dtús, is é toirt an chórais V1 ( toirt bheag). Ós rud é go gcoinnítear an brú tairiseach, tar éis teas a chur leis an gcóras, leathnaíonn an córas agus déanann sé obair ar an timpeallacht. Tar éis obair a dhéanamh ar an timpeallacht, athraíonn toirt an chórais go V2 (méadaíonn toirt an chórais). Is é an méid oibre (W) a dhéanann an córas an limistéar scáthaithe.
Ceist shamplach 1:
Taispeánann cuar 1-2 sna dhá léaráid thíos leathnú gáis (méadú ar thoirt an gháis) a tharlaíonn go haidiabatach agus go hisiteirmeach. In aon phróiseas ina bhfuil an obair a dhéanann an gás níos lú?
Is lú an obair a dhéanann an gás i bpróiseas adaibéiteach ná an obair a dhéanann an gás i bpróiseas isiteirmeach. Is é an limistéar scáthaithe an obair a dhéanann an gás le linn an phróisis leathnaithe (méadú ar thoirt an gháis). Is lú an limistéar scáthaithe i bpróiseas adaibéiteach ná an limistéar scáthaithe i bpróiseas isiteirmeach.
Ceist shamplach 2:
Taispeántar sraith próiseas teirmidinimiciúil sa léaráid thíos. Cuar a-b agus d-c = próisis iseacóracha (toirt tairiseach). Cuar b-c agus a-d = próisis iseacóracha (brú tairiseach). I bpróiseas a-b, cuirtear 600 Giúl teasa (Q) leis an gcóras. I bpróiseas b-c, cuirtear 800 Giúl teasa (Q) leis an gcóras. Cinntigh:
a) Athruithe ar fhuinneamh inmheánach i bpróisis a-b
b) Athruithe ar fhuinneamh inmheánach sa phróiseas a-b-c
c) Teas iomlán a cuireadh leis sa phróiseas a-d-c
P1 = 2 x 105 Pa = 2 x 105 N / m2
P2 = 4 x 105 Pa = 4 x 105 N / m2
V1 = 2 lítear = 2 dm3 = 2 x 10-3 m3
V 2 = 4 lítear = 2 dm 3 = 4 x 10 ‐3 m 3
Plé
a) Athruithe ar fhuinneamh inmheánach i bpróisis a-b
Sa phróiseas a-b, cuirtear 600 J teasa leis an gcóras. Is próiseas iseacórach é an próiseas a-b (toirt tairiseach). I bpróiseas iseacórach, ní dhéanann cur leis an gcóras ach fuinneamh inmheánach an chórais a mhéadú. Dá bhrí sin, is é an t-athrú i bhfuinneamh inmheánach an chórais tar éis an ranníocaíocht teasa a fháil ná:
ΔU = Q
ΔU = 600 J
b) Athruithe ar fhuinneamh inmheánach sa phróiseas a-b-c
Próiseas a-b = próiseas iseacórach (toirt tairiseach). Cuirtear 600 J teasa leis i bpróiseas a-b.
don chóras. Ós rud é go bhfuil an toirt tairiseach, ní dhéanann an córas aon obair.
Próiseas b‐c = próiseas isobarach (brú tairiseach). I bpróiseas b‐c, cuirtear 800 Giúl teasa (Q) leis an gcóras. I bpróiseas isobarach, is féidir leis an gcóras obair a dhéanamh. Is é méid na hoibre a dhéanann an córas i bpróiseas b‐c (próiseas isobarach):
W = P (V2 ‐ V1 ) ‐‐‐ brú tairiseach
W = P2 ( V2 - V1 )
L = 4 x 105 N / m2 ( 4 x 10-3 m3 - 2 x 10-3 m3 )
L = 4 x 105 N /m2 ( 2 x 10-3 m3 )
W = 8 x 10 2 Giúl
W = 800 Giúl
Is é an teas iomlán a chuirtear leis an gcóras sa phróiseas a-b-c ná:
Iomlán Q = Q ab + Q bc
Iomlán Q = 600 J + 800 J
Iomlán Q = 1400 Giúl
Is é seo an obair iomlán a dhéanann an córas sa phróiseas a-b-c:
W iomlán = W ab + W bc
Iomlán W = 0 + W bc
Iomlán W = 0 + 800 Giúl
W iomlán = 800 Giúl
Is é an t-athrú fuinnimh sa chóras sa phróiseas a-b-c ná:
ΔU = Q−W
ΔU = 1400 J − 800 J
ΔU = 600 J
Athrú san fhuinneamh inmheánach sa phróiseas a-b-c = 600 J
c) Teas iomlán a cuireadh leis sa phróiseas a-d-c
Is féidir an teas iomlán a cuireadh leis an gcóras a fháil tríd an gcothromóid thíos:
ΔU = Q−W
Q = ΔU + W
Teas iomlán a cuireadh leis sa phróiseas a-d-c = athrú san fhuinneamh inmheánach sa phróiseas a-d-c + an obair iomlán a rinneadh sa phróiseas a-d-c.
Tá teas agus obair i gceist in aistriú fuinnimh idir an córas agus a thimpeallacht, agus is as aistriú fuinnimh idir an córas agus a thimpeallacht a eascraíonn athruithe i bhfuinneamh inmheánach . Dá bhrí sin, tá athruithe i bhfuinneamh inmheánach neamhspleách ar phróiseas aistrithe fuinnimh. Os a choinne sin, tá teas agus obair ag brath go mór ar an bpróiseas. I bpróiseas iseacórach (toirt tairiseach), ní bhíonn aistriú fuinnimh ach i bhfoirm teasa, ach ní i bhfoirm oibre. I bpróiseas iseacórach (brú tairiseach), bíonn teas agus obair araon i gceist le haistriú fuinnimh. Cé go bhfuil sé neamhspleách ar an bpróiseas, braitheann athruithe i bhfuinneamh inmheánach ar staideanna tosaigh agus deiridh an chórais. Má tá na staideanna tosaigh agus deiridh mar an gcéanna, beidh an t-athrú i bhfuinneamh inmheánach mar an gcéanna i gcónaí, fiú má tá na próisis atá i gceist difriúil.
Is é an staid tosaigh agus an staid deiridh don phróiseas a-b-c sa ghraf thuas an staid tosaigh agus an staid deiridh den phróiseas a-d-c. Dá bhrí sin, is é an t-athrú san fhuinneamh inmheánach sa phróiseas a-d-c = 600 J.
Obair iomlán (W) a rinneadh sa phróiseas a-d-c = W sa phróiseas a-d + W sa phróiseas d-c.
Is próiseas iseabarach (brú tairiseach) é an próiseas a-d, ach is próiseas iseacórach (toirt tairiseach) é an próiseas d-c. Ós rud é go bhfuil an toirt tairiseach, ní dhéantar aon obair sa phróiseas d-c. Ar dtús, ríomhaimid an obair a dhéantar sa phróiseas a-d.
W = P ( V2 - V1 )
W ad = P1 ( V2 - V1 )
Wad = 2 x 105 N / m2 ( 4 x 10-3 m3 - 2 x 10-3 m3 )
W = 2 x 105 N / m2 ( 2 x 10-3 m3 )
W = 4 x 102 Giúl
W = 400 Giúl
Iomlán W = W sa phróiseas a-d + W sa phróiseas d-c
Iomlán W = 400 Giúl + 0
W iomlán = 400 Giúl
Dá bhrí sin, is é an méid teasa a chuirtear leis an bpróiseas a-d-c ná:
Q = ΔU + W
Q = 600 J + 400 J
Q = 1000 J
Ceist shamplach 3:
Nuair a fhiuchann sé ag brú 1 atm, athraíonn 1 lítear uisce go 1671 lítear gaile. Faigh amach an t-athrú san fhuinneamh inmheánach agus an méid oibre a dhéanann an t-uisce nuair a ghalaíonn sé… (Teas galúcháin uisce = L V = 22,6 x 10 5 J/Kg)
Plé
Dlús uisce = 1000 kg/ m3
L V = 22,6 x 10 5 J/Kg
P = 1 atm = 1,013 x 10⁻⁶ Pa = 1,013 x 10⁻⁶ N / m²
V 1 = 1 lítear = 1 dm 3 = 1 x 10 ‐3 m 3 (Toirt uisce)
V2 = 1671 lítear = 1671 dm3 = 1671 x 10-3 m3 ( Toirt gaile )
a) Athruithe ar fhuinneamh inmheánach
Athrú san fhuinneamh inmheánach = Teas a chuirtear leis an uisce – An obair a dhéanann an t-uisce nuair a ghalaíonn sé. Ar dtús, déanaimis an teas (Q) a chuirtear leis an uisce a ríomh...
Q = mL V
Mais (m) uisce?
Dlús uisce = mais uisce / toirt uisce
Mais uisce (m) = (dlús uisce)(toirt uisce)
Mais uisce (m) = (1000 kg/m³ ) ( 1 x 10-3 m³ )
Mais uisce (m) = (1000 kg/m³ ) (0,001 m³ )
Mais uisce (m) = 1 Kg
Q = (1 kg)(22,6 x 105 J /kg)
Q = 22,6 x 105 J
Ríomh an obair (W) a dhéanann an t-uisce nuair a ghalaíonn sé. Tarlaíonn fiuchadh uisce ag brú tairiseach (próiseas isobarach).
W = p ( V2 – V1 )
L = 1,013 x 105 N / m2 ( 1671 x 10-3 m3 – 1 x 10-3 m3 )
L = 1,013 x 105 N / m2 ( 1670 x 10-3 m3 )
W = 1691,71 x 10 2 Giúl
W = 1,7 x 10 5 Giúl
Athruithe fuinnimh in uisce:
ΔU = Q−W
ΔU = 22,6 x 10 5 J − 1 .7 x 10 5 J
ΔU = 20,9 x 10⁻⁶ J
ΔU = 21 x 10⁻⁶ J
Úsáidtear an 21 x 10 5 J teasa a chuirtear leis an uisce chun a fhuinneamh inmheánach a mhéadú (ag sárú na bhfórsaí tarraingteacha idir na móilíní a choinníonn an t-uisce leachtach). Is é sin le rá, úsáidtear 21 x 10 5 J chun an t-uisce a athrú go gal. Nuair a bhíonn an t-uisce ina ghal, úsáidtear an 1,7 x 10 5 J atá fágtha chun obair a dhéanamh.
Ceist shamplach 4:
Leathnaíonn 1 mhóil gáis i sorcóir go tapa go haidiabatach. Is é 1000 K teocht tosaigh an gháis. Tar éis leathnú, laghdaíonn teocht an gháis go 500 K. Faigh amach an obair a dhéanann an gás... Plé
Tarlaíonn leathnú gáis go haidiabatach. I bpróiseas aidiabatach, ní théann aon teas isteach sa chóras ná ní fhágann sé é. Dá bhrí sin, is é an obair a dhéanann an gás an t-athrú i bhfuinneamh inmheánach an gháis. Go matamaiticiúil, scríobhtar é seo mar:
ΔU = Q − W nó W = Q − ΔU → Q = 0
W = 0 − ΔU
W = − ΔU
Is féidir linn an t-athrú i bhfuinneamh inmheánach gáis a ríomh trí úsáid a bhaint as cothromóid fuinnimh inmheánaigh an gháis idéalaigh:
ΔU = Deireadh U – Tús U
ΔU = 3/2 nR (T deiridh – T tosaigh)
ΔU = 3/2 (1 mol)(8,315 J/mol.K)(500 K – 1000 K)
ΔU = 3/2 (1 mol)(8,315 J/mol.K)(-500 K)
ΔU = ‐6236,25 J
Dá bhrí sin, is é an méid oibre a dhéanann an gás ná:
W = − ΔU
W = − (− 6236, 25 J)
W = 6236, 25 J
