Πρώτος Νόμος της Θερμοδυναμικής

Η λέξη θερμοδυναμική είναι ο συνδυασμός θερμότητας και δυναμικής. Η λέξη "therm" σημαίνει θερμική. Με απλά λόγια, θερμικό σημαίνει θερμότητα. Η λέξη «δυναμική» σχετίζεται με τον κλάδο της μηχανικής. Η θερμοδυναμική δηλώνει τη σχέση μεταξύ θερμότητας, θερμοκρασίας, εργασίας και ενέργειας. Υπάρχουν τέσσερις νόμοι της θερμοδυναμικής. Ωστόσο, αυτό το άρθρο θα καλύψει μόνο τον πρώτο νόμο της θερμοδυναμικής.

Πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής

Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής συσχετίζει την εσωτερική ενέργεια και το έργο που εκτελείται από ένα σύστημα με τη θερμότητα που του παρέχεται. Ο νόμος επιβεβαιώνει ότι η θερμότητα είναι μια μορφή ενέργειας. Οι θερμοδυναμικές διεργασίες εμπίπτουν στην αρχή της διατήρησης της ενέργειας, η οποία αναφέρεται στο γεγονός ότι η θερμότητα δεν μπορεί ούτε να δημιουργηθεί ούτε να καταστραφεί. Ωστόσο, μπορεί να αλλάξει από τη μια μορφή στην άλλη. Ως εκ τούτου, ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής είναι επίσης ο νόμος για τη διατήρηση της ενέργειας.

Σύμφωνα με τον πρώτο νόμο της θερμοδυναμικής, εάν δώσουμε ενέργεια σε ένα απομονωμένο σύστημα, κάποια ενέργεια θα χρησιμοποιηθεί για να αλλάξει την εσωτερική ενέργεια του συστήματος. Ωστόσο, η ενέργεια που απομένει θα χρησιμοποιηθεί για την εκτέλεση εργασίας.

Η μαθηματική αναπαράσταση είναι ΔU =q + W

Πού,

ΔU είναι η αλλαγή στην εσωτερική ενέργεια του συστήματος.

q είναι το αλγεβρικό άθροισμα της μεταφοράς θερμότητας. Η μεταφορά θερμότητας γίνεται μεταξύ του συστήματος και του περιβάλλοντος χώρου.

W είναι η αλληλεπίδραση εργασίας του συστήματος με το περιβάλλον του.

Εφαρμογές του πρώτου θερμοδυναμικού νόμου

Μετά την καθιέρωση της έννοιας της θερμοδυναμικής, ανακαλύφθηκαν πολλές εφαρμογές της θερμοδυναμικής. Βοήθησε στην εφεύρεση πολλών νέων συσκευών και βελτίωσε τη λειτουργία ορισμένων προϋπαρχόντων συστημάτων. Ο νόμος είναι η βάση κάθε μηχανής ή συσκευής που περιλαμβάνει διαδικασίες μεταφοράς θερμότητας και εργασίας, όπως ψυγεία, λέβητες, συμπιεστές, πύραυλοι, στρόβιλοι, λαμπτήρες κ.λπ. Η πιο κοινή εφαρμογή του πρώτου νόμου της θερμοδυναμικής στο περιβάλλον μας είναι θερμικές μηχανές.

Η λειτουργία ενός κινητήρα

Οι κινητήρες είναι παντού γύρω μας, σε αυτοκίνητα, ποδήλατα, φορτηγά, αεροπλάνα κ.λπ. Αυτοί οι κινητήρες λειτουργούν με βάση τον πρώτο νόμο της θερμοδυναμικής. Ένας κινητήρας περιλαμβάνει έναν θάλαμο, ένα έμβολο και ένα άνοιγμα από το οποίο εισέρχεται το αέριο στον θάλαμο. Ένα σύστημα κοντά στον κινητήρα δημιουργεί σπινθήρες και το καύσιμο αρχίζει να καίγεται σε μικρή ποσότητα.

Το καύσιμο που χρησιμοποιείται σε αυτούς τους κινητήρες είναι γενικά βενζίνη, ντίζελ ή κηροζίνη. Αυτά τα καύσιμα καίγονται πολύ γρήγορα και μετατρέπονται σε αέριο. Το μικρό μέγεθος του θαλάμου βοηθά στην παγίδευση του αερίου, το οποίο αυξάνει την πίεση. Αυτή η πίεση κινεί το έμβολο, το οποίο βοηθά περαιτέρω στην κίνηση του οχήματος. Τελικά, μπορείτε να παρατηρήσετε τη μετατροπή της θερμικής ενέργειας σε μηχανική ενέργεια.

Θερμικές μηχανές

Οι θερμικές μηχανές λειτουργούν επίσης με βάση την αρχή του πρώτου νόμου της θερμοδυναμικής μετατρέποντας τη θερμότητα σε έργο. Η πιο κοινή εφαρμογή του πρώτου νόμου της θερμοδυναμικής είναι στις ατμομηχανές, που χρησιμοποιούνται συνήθως στα τρένα. Κάποτε, οι ατμομηχανές χρησιμοποιήθηκαν επίσης για την κατασκευή αυτοκινήτων, τα οποία τώρα συνήθως λειτουργούν με βενζινοκινητήρες ή πετρελαιοκινητήρες. Ωστόσο, καθώς οι κινητήρες ντίζελ και αερίου παράγουν ηλεκτρική ενέργεια χρησιμοποιώντας θερμότητα, χρησιμοποιούν επίσης τον πρώτο θερμοδυναμικό νόμο.

Η λειτουργία μιας ατμομηχανής

Μια ατμομηχανή περιλαμβάνει ένα μεγάλο θάλαμο, έναν συμπιεστή και έμβολα. Αρχικά, ο άνθρακας αρχίζει να καίγεται σε ένα μεγάλο θάλαμο, ο οποίος θερμαίνει το νερό και δημιουργεί ατμούς ή ατμό. Στη συνέχεια, ο ατμός συμπιέζεται σε συμπιεστή. Η πίεση του ατμού κινεί το έμβολο του κινητήρα. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την κίνηση του τρένου. Η μετατροπή εδώ γίνεται από θερμική ενέργεια σε μηχανική ενέργεια.

Η λειτουργία των ψυκτικών μηχανών

Η λειτουργία των ψυγείων και των AC βασίζεται επίσης στον πρώτο νόμο της θερμοδυναμικής. Τα περισσότερα συστήματα ψύξης βασίζονται σε κλειστό σύστημα. Πρώτον, ένα αέριο που υπάρχει στα συστήματα ψύξης, κυρίως υδροφθοράνθρακες (HFC), συμπιέζεται σε έναν συμπιεστή. Αυτή η συμπίεση αυξάνει την εσωτερική θερμοκρασία του αερίου. Στη συνέχεια, το συμπιεσμένο αέριο απελευθερώνεται σε άφθονο χώρο. Αυτός ο χώρος μπορεί να είναι ένας χώρος ψύξης (όπως στην περίπτωση των ψυγείων) που μειώνει ξαφνικά τη θερμοκρασία του αερίου σε εξαιρετικά κρύο. Έτσι λειτουργούν τα περισσότερα συστήματα ψύξης.

Συμπέρασμα

Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής συσχετίζει την εσωτερική ενέργεια και το έργο που εκτελείται από ένα σύστημα με τη θερμότητα που του παρέχεται. Ο νόμος είναι η βάση κάθε μηχανής ή συσκευής που περιλαμβάνει διαδικασίες μεταφοράς θερμότητας και εργασίας, όπως ψυγεία, λέβητες, συμπιεστές, πύραυλοι, στρόβιλοι, λαμπτήρες κ.λπ. Ο νόμος είναι η βάση πολλών αρχών στη φυσική και τη χημεία.