Ohun èlò lórí Òfin Àkọ́kọ́ ti Thermodynamics
Ilana Thermodynamic
Ooru (Q) jẹ́ agbára tí ó ń gbé láti ohun kan sí òmíràn nítorí ìyàtọ̀ iwọn otutu. Ní ìbámu pẹ̀lú ètò àti àyíká, a lè sọ pé ooru jẹ́ agbára tí ó ń gbé láti ètò sí àyíká tàbí agbára tí ó ń gbé láti àyíká sí ètò nítorí ìyàtọ̀ iwọn otutu. Tí iwọn otutu ètò bá ga ju iwọn otutu àyíká lọ, ooru yóò máa ṣàn láti ètò sí àyíká. Ní ọ̀nà mìíràn, tí iwọn otutu àyíká bá ga ju iwọn otutu ètò lọ, ooru yóò máa ṣàn láti àyíká sí ètò náà.
Tí Ooru (Q) bá níí ṣe pẹ̀lú gbigbe agbára nítorí ìyàtọ̀ iwọn otutu, nígbà náà Iṣẹ́ (W) níí ṣe pẹ̀lú gbigbe agbára tí ó ń ṣẹlẹ̀ nípasẹ̀ àwọn ọ̀nà ẹ̀rọ. Fún àpẹẹrẹ, tí ètò kan bá ṣiṣẹ́ lórí àyíká, nígbà náà agbára yóò yípadà láti ètò sí àyíká láìfọwọ́sí. Ní ọ̀nà mìíràn, tí àyíká bá ṣiṣẹ́ lórí ètò náà, agbára yóò yípadà láti àyíká sí ètò náà.
Àpẹẹrẹ kan tó rọrùn nípa ìyípadà agbára láàárín ètò kan àti àyíká rẹ̀ tó ní í ṣe pẹ̀lú ooru àti iṣẹ́ ni ìgbóná gbígbóná tó ń tì lórí ìbòrí ìkòkò. Wíwà ooru ló ń mú kí ètò náà (ìgbóná gbígbóná) tì lórí ìbòrí ìkòkò (ìgbóná gbígbóná náà ń ṣiṣẹ́ lórí àyíká). Àpẹẹrẹ kan nìyí nípa ìyípadà nínú ipò ètò kan nítorí ìyípadà agbára láàárín ètò náà àti àyíká rẹ̀. Ọ̀pọ̀ àpẹẹrẹ mìíràn ló wà. Àwọn ìyípadà nínú ipò ètò kan nítorí ìyípadà agbára láàárín ètò náà àti àyíká rẹ̀ tó ní í ṣe pẹ̀lú ooru àti iṣẹ́ ni a ń pè ní àwọn ìlànà thermodynamic.
Agbára Inú àti Òfin Àkọ́kọ́ ti Thermodynamics
Agbára inú (U) ti ètò kan ni àròpọ̀ gbogbo agbára kinetic ti àwọn molecule nínú ètò náà, pẹ̀lú àròpọ̀ gbogbo agbára tí ó lè jáde láti inú ìbáṣepọ̀ láàárín àwọn molecule nínú ètò náà. A retí pé tí ooru bá ń ṣàn láti àyíká sí ètò náà (ètò náà ń gba agbára), agbára inú ètò náà ń pọ̀ sí i… Ní ọ̀nà mìíràn, tí ètò náà bá ń ṣiṣẹ́ lórí àyíká (ètò náà ń tú agbára jáde), agbára inú ètò náà ń dínkù.
Nítorí náà, ní ìbámu pẹ̀lú ìpamọ́ agbára, a lè parí èrò sí pé ìyípadà agbára nínú ètò náà = Ooru tí a fi kún ètò náà (ètò náà ń gba agbára) – Iṣẹ́ tí ètò náà ń ṣe (ètò náà ń tú agbára jáde). Ní ti ìṣirò:
Ìgbékalẹ̀ yìí kan ètò tí a ti pa (Ètò tí a ti pa jẹ́ ètò tí ó gba pàṣípààrọ̀ agbára láàyè láàárín ètò àti àyíká nìkan). Fún ètò tí a ti pa ní ìdákọ́, agbára kò wọ inú tàbí jáde kúrò nínú ètò náà, nítorí náà, ìyípadà nínú agbára inú = 0.
Ìgbékalẹ̀ yìí tún kan àwọn ètò ìṣípààrọ̀ tí a bá gba àwọn ìyípadà nínú agbára nínú ètò náà rò nítorí àfikún àti ìdínkù iye ohun èlò (Ètò ìṣípààrọ̀ jẹ́ ètò kan tí ó gba àyè láti ṣe pàṣípààrọ̀ ohun èlò àti agbára láàrín ètò àti àyíká). Òfin àkọ́kọ́ ti thermodynamics ni a gbé kalẹ̀ ní ọ̀rúndún kọkàndínlógún, lẹ́yìn tí a lóye ooru gẹ́gẹ́ bí agbára tí a gbé lọ nítorí ìyàtọ̀ ìwọ̀n otútù.
Agbára inú jẹ́ iye tí ó ń ṣàpèjúwe ipò aláìlágbára ti ètò kan. Iye tí ó ń ṣàpèjúwe ipò aláìlágbára ti ètò kan (agbára inú) kò le ṣe ìpinnu tààrà. Ohun tí a ń ṣàyẹ̀wò nínú Òfin Àkọ́kọ́ ti Ìgbékalẹ̀ Thermodynamics ni ìyípadà nínú agbára inú nìkan. A lè pinnu àwọn ìyípadà nínú agbára inú nítorí agbára tí a fi kún ètò náà àti agbára tí ètò náà ń tú jáde ní ìrísí ooru àti iṣẹ́. Ní ọ̀nà mìíràn, àwọn iye tí ó ń ṣàpèjúwe àwọn ipò macroscopic ni a lè pinnu tààrà. Àwọn iye tí ó ń ṣàpèjúwe àwọn ipò macroscopic ni ìwọ̀n otútù (T), titẹ (p), iwọn didun (V), àti ìwọ̀n (m) tàbí iye àwọn moles (n). Ooru àti iṣẹ́ nìkan ló ń kópa nínú ìlànà gbigbe agbára láàárín ètò náà àti àyíká rẹ̀; wọn kì í ṣe àwọn iye tí ó ń ṣàpèjúwe ipò ètò náà.
Fi àmì sí àwọn òfin fún Ooru (Q) àti Iṣẹ́ (W)
Àwọn òfin àmì fún Ooru àti Iṣẹ́ bá Òfin Àkọ́kọ́ ti Thermodynamics mu. Ooru (Q) nínú ìṣirò òkè yìí dúró fún ooru tí a fi kún ètò náà (Q jẹ́ rere), nígbà tí Iṣẹ́ (W) nínú ìṣirò òkè yìí dúró fún iṣẹ́ tí ètò náà ṣe (W jẹ́ rere). Tí ooru bá fi ètò náà sílẹ̀, Q jẹ́ odi. Ní ọ̀nà mìíràn, tí a bá ṣe iṣẹ́ lórí ètò náà, W jẹ́ odi.
Àpẹẹrẹ ìbéèrè 1:
Tí a bá fi 2000 Joules ti ooru kun eto kan, nígbà tí eto naa ń ṣe 1000 Joules ti iṣẹ, kí ni iyipada ninu agbara inu eto naa?
Ifọrọwanilẹnuwo
Ètò náà gba ooru (agbára) afikún ti Joules 2000. Ètò náà tún ń ṣe iṣẹ́ (ìtújáde agbára) ti Joules 1000. Nítorí náà, ìyípadà agbára ti ètò náà = Joules 1000.
Àpẹẹrẹ ìbéèrè 2:
Tí 2000 Joules of heat bá fi ètò náà sílẹ̀ tí ètò náà sì ń ṣiṣẹ́ 1000 Joules, kí ni ìyípadà nínú agbára inú ètò náà?
Ifọrọwanilẹnuwo
Tí ooru bá fi ètò náà sílẹ̀, ó túmọ̀ sí wípé Q ní ìníyelórí odi.
Ooru fi eto naa silẹ (eto naa n tu agbara silẹ) ni iye Joules 2000. Eto naa tun n ṣiṣẹ (eto naa n tu agbara silẹ) ni iye Joules 1000. Nitorinaa, agbara inu eto naa dinku nipasẹ 3000 J.
Àpẹẹrẹ ìbéèrè 3:
Tí a bá fi 2000 Joules ti ooru kun eto kan tí a sì ṣe 1000 Joules ti iṣẹ lori eto naa, kí ni iyipada ninu agbara inu eto naa?
Ifọrọwanilẹnuwo
Tí a bá ṣe iṣẹ́ lórí ètò náà, nígbà náà W jẹ́ odi.
Ètò náà gba ooru afikún (ètò náà gba agbára) ti 2000 Joules àti iṣẹ́ ni a ṣe lórí ètò náà (ètò náà gba agbára) ti 1000 Joules. Nítorí náà, agbára inú ètò náà ń pọ̀ sí i ní 3000 Joules.
Àkọ́kọ́ , ọ̀pọ̀lọpọ̀ àwọn ètò tí a ń ṣàyẹ̀wò ní ti ìmọ̀ nípa kókó yìí jẹ́ àwọn gáàsì. A ń lo àwọn gáàsì nítorí pé ó rọrùn láti mọ àwọn ànímọ́ macroscopic wọn (iwọ̀n otútù, ìfúnpá, àti ìwọ̀n). Nígbà tí a bá ń ṣàyẹ̀wò àwọn gáàsì, a ṣì ń kà wọ́n sí àwọn gáàsì tó dára jùlọ. Èyí jẹ́ láti mú kí ìwádìí rọrùn. A kì í lo àwọn gáàsì gidi nítorí pé, ní àwọn ìfúnpá gíga tó, àwọn gáàsì gidi sábà máa ń hùwà lọ́nà tí kò tọ́.
Èkejì , tí ètò tí a ń ṣàyẹ̀wò bá jẹ́ gáàsì pípé, a lè ṣírò agbára inú nípa lílo ìṣirò tí ó sọ ìbáṣepọ̀ láàárín agbára inú gáàsì pípé àti ìwọ̀n otútù gáàsì pípé: U = 3/2 nRT (ìṣirò agbára inú fún gáàsì pípé monatomic).
Iṣẹ́ tí ètò náà ṣe nígbà tí a bá ń yí iwọ̀n padà
Kí a tó tẹ̀síwájú, ẹ jẹ́ kí a kọ́kọ́ gbé iṣẹ́ tí ètò náà ń ṣe lórí àyíká rẹ̀ yẹ̀ wò. Láti ṣírò iye iṣẹ́ tí ètò náà ń ṣe (W), ronú nípa gáàsì tó dára jùlọ nínú àpótí tí písítọ̀n kan ti sé. A lè gbé písítọ̀n náà sókè àti sísàlẹ̀. A mú àwòrán yìí rọrùn sí ìwọ̀n méjì. Gbé e yẹ̀ wò ní ìwọ̀n mẹ́ta. Ìwọ̀n = gígùn x ìbú x gíga.
A fi àwọn ibi tí ó wà nínú àpótí kan ṣojú fún gáàsì tó dára. Ìpìlẹ̀ àpótí náà ní ìfọwọ́sowọ́pọ̀ pẹ̀lú ohun tí ó ní iwọ̀n otútù gíga (tó jọ omi nínú àwo tí a gbóná lórí iná). Ohun tí ó ní iwọ̀n otútù gíga kò sí nínú àwòrán náà, fojú inú wò ó ní ọkàn rẹ 😉 Gáàsì tó dára nínú àpótí náà ni ètò náà, nígbà tí àwọn ohun mìíràn tí ó wà níta àpótí náà, títí kan ohun tí ó ní iwọ̀n otútù gíga tí ó bá ìpìlẹ̀ àpótí náà pàdé, ni àyíká. Nítorí pé iwọ̀n otútù àyíká ga ju iwọ̀n otútù ètò náà lọ, ooru ń ṣàn láti àyíká lọ sí ètò náà. Àfikún agbára láti inú àyíká ń mú kí agbára inú ètò náà (gáàsì tó dára) pọ̀ sí i. Agbára inú gáàsì tó dára jẹ́ ìwọ̀n otútù tààrà sí iwọ̀n otútù (U = 3/2 nRT), nítorí náà nígbà tí agbára inú gáàsì tó dára bá pọ̀ sí i, iwọ̀n otútù gáàsì tó dára náà ń pọ̀ sí i. Ìbísí nínú iwọ̀n otútù gáàsì tó dára ń mú kí gáàsì tó dára fẹ̀ sí i kí ó sì tì piston náà sí iwọ̀n s. Nígbà tí a bá ń tì piston náà sí iwọ̀n s, ètò náà (gáàsì tó dára) ń ṣiṣẹ́ lórí àyíká (afẹ́fẹ́ òde).
Ní ìbẹ̀rẹ̀, ìfúnpá ètò náà ga (P1) àti ìfúnpá ètò náà kéré (V1). Ìfúnpá náà jẹ́ ìwọ̀n òdìkejì sí ìfúnpá náà. Lẹ́yìn tí ooru bá ti ń ṣàn láti àyíká sí ètò náà, tí ètò náà sì ń ṣiṣẹ́ lórí àyíká, ìfúnpá ètò náà yóò pọ̀ sí i (V2) àti ìfúnpá ètò náà yóò dínkù (P2).
Iye iṣẹ ti eto naa ṣe ninu ilana ti o wa loke ni:
Iṣẹ́ (W) = Agbára ìkọlù (F) x ìyípò (s). Nítorí agbára ìkọlù (F) = ìfúnpá (P) x agbègbè ojú (A) ti piston, a lè kọ ìgbékalẹ̀ Iṣẹ́ náà gẹ́gẹ́ bí:
W = Fs ‐‐‐‐ F = PA
W = PAs - - - - - Bi = V
W = PV
Ó ṣe pàtàkì láti kíyèsí pé iṣẹ́ tí ètò náà ṣe máa ń wáyé nígbà tí a bá ń yí iwọ̀n padà. Nítorí náà, gbogbo iṣẹ́ tí ètò náà ṣe ni a lè rí gbà nípa ṣíṣe ìyípadà iwọ̀n padà nípa ṣíṣe ìyípadà iwọ̀n. Ní ti ìṣirò:
W = (titẹ ikẹhin – titẹ ibẹrẹ) (iwọn didun ikẹhin – iwọn didun ibẹrẹ)
W = (P 2 - P 1 )(V 2 - V 1 )
Àkọ́kọ́ , a lè mọ ìyípadà nínú ìwọ̀n ètò nínú ìlànà tí a mẹ́nu kàn lókè yìí lọ́nà tó rọrùn. A lè mọ ìwọ̀n àkọ́kọ́ àti ìkẹ́yìn ètò náà nípa ṣíṣírò ìwọ̀n àpótí náà. Nítorí náà, láti ṣírò iye iṣẹ́ tí ètò náà ṣe (W), a nílò láti mọ bí ìfúnpá náà ṣe ń yípadà nígbà iṣẹ́ náà.
Tí ìfúnpá (p) ètò kan bá ń yípadà láìdọ́gba bí ìfúnpá (V) ṣe ń yípadà, a lè ṣírò iye iṣẹ́ tí ètò náà ń ṣe nípa lílo calculus. Tí o kò bá mọ calculus dáadáa, àwọn ọ̀nà míì wà tí o lè lò. Àkọ́kọ́, jẹ́ kí a ya àwòrán kan tí ó ń fi ìbáṣepọ̀ láàrín ìfúnpá àti ìfúnpá hàn. Iye iṣẹ́ tí ètò náà ń ṣe = agbègbè tí ó ní àwọ̀ lábẹ́ ìlà p-V.
Àwòrán ìfúnpá àti ìwọ̀n ìfúnpá fún àwọn ìyípadà ìfúnpá tí ó máa ń ṣẹlẹ̀ láìdéédéé.
Ní ìbẹ̀rẹ̀, ìfúnpá ètò = p 1 (ìfúnpá gíga) àti ìfúnpá ètò = V 1 (ìfúnpá kékeré). Lẹ́yìn tí ètò náà bá ti ṣiṣẹ́ lórí àyíká, ìfúnpá ètò yípadà sí p 2 (ìfúnpá kékeré) àti ìfúnpá ètò yípadà sí V 2 (ìfúnpá gíga). Iye iṣẹ́ (W) tí ètò náà ṣe = agbègbè tí ó ní àwọ̀. Apẹrẹ ìfúnpá náà jẹ́ títẹ̀ nítorí pé ìfúnpá ètò (gaasi tó dára) yípadà láìdọ́gba nígbà tí a bá ń ṣe é.
Tí ìfúnpá (p) ètò kan bá dúró ṣinṣin bí ìfúnpọ̀ (V) ṣe ń yípadà, a lè ṣírò iye iṣẹ́ tí ètò náà ṣe ní irọ̀rùn. A lè ṣírò iye iṣẹ́ tí ètò náà ṣe nípa lílo ìṣirò tàbí a lè rí i láti agbègbè tí ó ní àwọ̀ lábẹ́ ìlà P-V. Nínú ọ̀ràn yìí, a lè ṣàtúnṣe ìṣirò iṣẹ́ tí ó wà lókè yìí bí a ṣe ń tẹ̀lé e yìí:
W = (P 2 - P 1 )(V 2 - V 1 )
Níwọ́n ìgbà tí ìfúnpá (p) bá dúró ṣinṣin, nígbà náà P 2 = P 1 = P
W = P (V 2 - V 1 )
Àwòrán ìfúnpọ̀ àti ìwọ̀n fún ìlànà kan níbi tí ìfúnpọ̀ náà ti dúró ṣinṣin nígbà gbogbo, ìyẹn ni pé, kò yípadà:
Ni ibẹrẹ iwọn didun eto = V1 (ìwọ̀n kékeré). Lẹ́yìn tí ètò náà bá ti ṣiṣẹ́ lórí àyíká, ìwọ̀n ètò náà yóò yípadà sí V2 (iwọn nla). Titẹ eto naa maa n duro nigbagbogbo, eyi ti o tumo si pe ko yipada. Iye iṣẹ (W) ti eto naa ṣe = agbegbe ojiji.
Èkejì, ètò náà máa ń ṣiṣẹ́ lórí àyíká tí ìwọ̀n ètò náà bá pọ̀ sí i. Ní ọ̀nà mìíràn, àyíká máa ń ṣiṣẹ́ lórí ètò náà tí ìwọ̀n ètò náà bá dínkù. Tí ìwọ̀n ètò náà kò bá yípadà nígbà tí a bá ń ṣe é, ètò náà kò lè ṣiṣẹ́ lórí àyíká, àyíká náà kò sì lè ṣiṣẹ́ lórí ètò náà. Nínú ọ̀ràn yìí, iṣẹ́ (W) = 0.
