熱力学第二法則

不可逆的な熱力学的プロセスを説明するために、科学者たちは熱力学第二法則を定式化した。熱力学第二法則は、宇宙で起こりうるプロセスと起こりえないプロセスを説明する。RJEクラウジウス(1822-1888)という科学者は、次のように述べている。

当然のことながら、熱は高温の物体から低温の物体へと移動します。当然のことながら、熱は低温の物体から高温の​​物体へと移動することはありません(熱力学第二法則―クラウジウスの法則)。

クラウジウスの法則は、熱力学第二法則の特殊な法則の一つです。この法則が特殊な法則と呼ばれるのは、熱伝達という一つの過程にのみ適用されるためです。この法則は他の過程には適用されないため、より一般的な法則が必要となります。熱力学第二法則の一般的な法則の導出は、熱機関の研究に基づいています。したがって、まずは熱機関の熱について考察します。

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熱力学的プロセス:等温、断熱、等積、等圧

記事 熱力学的プロセス:等温断熱等積等圧

熱力学的プロセスには、等温プロセス、等積プロセス、等圧プロセス、断熱プロセスの4種類がある。

等温過程(一定温度)

等温過程では、系の温度は一定に保たれます。理論的には、解析対象の系は理想気体です。理想気体の温度は、理想気体の内部エネルギー(U = 3/2 n RT)に正比例します。Tは変化しないので、Uも変化しません。したがって、等温過程に適用すると、熱力学第一法則は次のようになります。

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熱力学の第一法則

熱力学的プロセス

熱(Q)とは、温度差によってある物体から別の物体へ移動するエネルギーのことです。システムや環境に関して言えば、熱とは温度差によってシステムから環境へ、あるいは環境からシステムへと移動するエネルギーのことです。システムの温度が周囲温度よりも高い場合、熱はシステムから環境へと流れます。周囲温度がシステムの温度よりも高い場合、熱は環境からシステムへと流れます。

熱(Q)は温度差によって移動するエネルギーであり、仕事(W)は仕事を通して伝達されるエネルギーに関係する。例えば、系が環境に対して仕事をする場合、エネルギーは系から環境へ移動する。逆に、環境が系に対して仕事をする場合、エネルギーは環境から系へ移動する。

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非弾性衝突

非弾性衝突

運動エネルギー保存の法則は、非弾性衝突には適用されません。運動量保存の法則は、衝突する2つの物体に外力が作用しない場合に限り、非弾性衝突にも適用されます。非弾性衝突では、2つの物体は衝突後にくっついたり、互いにくっついたりします。

例題1。

2つの物体は同じ質量、すなわち1kgです。物体1は平面上を10m/sの速度で移動し、静止している物体2と衝突します。衝突後、2つの物体はくっつきます。衝突後の2つの物体の速度はいくらですか?

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部分弾性衝突

部分弾性衝突

部分弾性衝突では、運動量保存の法則は適用されますが、運動エネルギー保存の法則は適用されません。衝突が発生すると、運動エネルギーの一部が音エネルギー、熱エネルギー、および内部エネルギーに変換されます。「弾性」という言葉は、衝突後、2つの物体がくっつくことなく跳ね返ることを示しています。

部分弾性衝突の例としては、2つのビー玉や2つのビリヤードボールの一次元衝突が挙げられる。

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線運動量保存の法則

線運動量保存の法則

線運動量保存の法則とは、衝突する2つの物体に外力が作用しない場合、衝突前の物体の運動量は衝突後の物体の運動量に等しいという法則である。

p 1 + p 2 = p 1 ' + p 2 ' ………………….. 式 1.4

m 1 v 1 + m 2 v 2 = m 1 v 1 ' + m 2 v 2 '

衝突後、両方の物体がくっついた場合、

m 1 v 1 + m 2 v 2 = (m 1 + m 2 ) v'

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完全弾性衝突

完全弾性衝突

2つの物体の衝突は、衝突前の各物体の運動量または運動エネルギーが、衝突後の各物体の運動量および運動エネルギーと等しい場合、完全弾性衝突と呼ばれます。言い換えれば、完全弾性衝突では、運動量保存の法則と運動エネルギー保存の法則が適用されます。「弾性」という言葉は、衝突後、2つの物体がくっついたり、互いに付着したりせず、跳ね返ることを示しています。各物体の運動量は保存されます。

各物体の運動量は保存される。

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仕事と機械エネルギーの関係原理

仕事と機械エネルギーの関係原理

仕事-運動エネルギー定理は、正味の仕事、すなわち正味の力がする仕事は、運動エネルギーの変化に等しいと述べている。

W net = TO t – TO o = 1⁄2 m(v t 2 – v o 2 )

正味の仕事= 力には保存力と非保存力の2種類があります。したがって、正味の仕事は、保存力によってなされた仕事と非保存力によってなされた仕事から構成されると考えることができます。

W c + W nc = ΔKE

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保存力による仕事 位置エネルギー

保存力による仕事 位置エネルギー

物体が垂直に上昇し、最高点に達した後に元の位置に戻る様子を観察してみましょう。物体が垂直に上昇している間、重力は物体に対して負の仕事をします。物体が上昇すると、物体の高さが増加します。したがって、物体の重力ポテンシャルエネルギーも増加します。つまり、重力が行う負の仕事は、物体の重力ポテンシャルエネルギー(PE)の増加分に等しいと結論づけることができます。

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保守的な力と非保守的な力

保守的な力と非保守的な力

1. 保守勢力

1.1 重量(w)

保存力と非保存力 1物体が垂直に上昇し、最高点に達した後、元の位置に向かって下降する様子を観察してみましょう。物体が垂直にhだけ上昇するとき、重力は変位とは逆方向になります。したがって、重力は物体に対して負の仕事をします。 

W = wh (cos 180 o ) = – wh = – mgh

物体は最高点に達した後、元の位置に向かってhだけ下降します。下降する際、重力は変位と同じ方向を向いています。そのため、重力は正の仕事をします。

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