熱力学は、熱と温度の概念、および熱のさまざまな種類のエネルギーへの変換に関係する物理学の分野です。熱力学は、顕微鏡レベルで研究される科学です。それはバルクシステムに関係しており、物質の分子構造には対応していません。実際、その概念と規則は、物質の分子像がしっかりと確立されるずっと前の 19 世紀に開発されました。たとえば、気体を微視的に記述するには、気体を構成する膨大な数の分子の座標と速度を特定する必要があります。速度の分子分布は、気体の説明と動力学理論では詳細に示されていません。一方、ガスの熱力学的記述は、圧力、体積、温度、質量、組成などの微視的な変数を使用してガスの状態を指定する代わりに、分子の記述を完全に省略します。
エントロピー
エントロピーは、システムの機能不全の尺度です。仕事に使えないエネルギーの量を表します。システムのエントロピーが高いほど、そのシステムで作業を行うために利用できるエネルギーは少なくなります。すべてのエネルギー源を使用して仕事を行うことができますが、利用可能なすべてのエネルギーを利用することは不可能です。熱によって運ばれたエネルギーのすべてを仕事に変換できるわけではなく、その一部は廃熱や仕事に使用されない熱として浪費されます。熱力学では、エネルギーの利用可能性が重要です。実際、この分野は、エンジンによって行われたように、熱を仕事に変換する努力から生じました。
エントロピーの SI 単位はジュール/ケルビン (J/K) です。
エントロピー ΔS の変化の式は
です。Δs=Q/T
ここで、Q はプロセス中にエネルギーを伝達する熱です
T は絶対温度です (熱力学では、温度を速度論や力学とは異なる量として定義します。ゼロの温度測定は、熱力学では特に重要です。そのため、0 の読み取り値が理論上の絶対ゼロ温度に対応する温度スケールは知られています。絶対温度として)
熱力学の法則
- 熱力学の第一法則
熱力学の第一法則は、すべてのシステムに適用されるエネルギー保存の普遍的な法則です。 「すべての系における総熱エネルギー変化は、内部エネルギー変化と行われた仕事の合計です」と、この法則は述べています。
一定量の熱 dQ がシステムに適用されると、その一部は内部エネルギー dU を増加させるために使用され、一部は外部仕事 dW を実行するために使用され、dQ =dU + dW になります。
ガスの比熱容量は、熱容量が伝達される手順または条件によって決まります。ガスの場合、主に 2 種類の比熱容量があります。一定体積での比熱容量と一定圧力での比熱容量は、2 種類の比熱容量です。
理想気体の 2 つの主要な特定温度間の関係は、熱力学の第 1 法則を使用して見つけることができます。 Cp-Cv =R、関係による
モル比温度 Cp および Cv は、それぞれ定圧および定容積条件下で計算されます。
Cp> Cv は、一定圧力での気体の比熱容量が、一定体積での比熱容量よりも大きいことを示します。これは、一定の体積の気体に熱を加えると、気体は外圧に逆らわず、すべてのエネルギーが気体の温度上昇に使われるためです。
一定圧の気体に熱を加えると気体の体積が増え、その熱エネルギーを使って気体の温度を上げたり、外圧に逆らって仕事をしたりします。
外圧に逆らってガスを膨張させるのに必要な熱量は、2 つの比熱の差です。
- 熱力学第 2 法則
熱力学の第 2 法則は、熱力学の第 1 法則と一致する特定の動作を禁止する原則です。
熱力学第二法則の 2 つのステートメントは次のとおりです。
ケルビン・プランクの声明:高温の物体から熱を抽出し、それを変更せずに完全に仕事に変換するサイクル エンジンを構築することは不可能です。つまり、熱を仕事に 100% 変換することは不可能です。
熱機関は、熱を仕事に変換する循環プロセスをシステムに実行させるデバイスです。熱機関は、熱源、ヒートシンク、作動物質の 3 つの部分で構成されています。
カルノーのエンジンは架空の人物です。彼は、2 つの温度間で動作し、循環/可逆プロセスを使用する仮想エンジンを提案しました。その効率は =1-T2/T1 で与えられます。ここで、T1 はソースの温度、T2 はシンクの温度であり、作業物質とは無関係です。
カルノーの定理によれば、高温リザーバーと低温リザーバーそれぞれの 2 つの与えられた温度 T1 と T2 の間で動作している場合、カルノーのエンジンよりも高い効率を持つエンジンはありません。(b) カルノー エンジンの効率は、
エントロピーの原理
<オール>結論
熱力学は、熱から他の種類のエネルギーへの変換、およびその逆を研究する物理学の一分野です。
熱力学の科学は巨視的なものです。ものの分子構造ではなく、バルクシステムに焦点を当てています。エネルギー保存の法則としてよく知られている最初の法則によると、エネルギーは孤立したシステムで作成または破壊することはできません。熱力学の第 2 規則に従って、孤立した系のエントロピーは常に増加します。エントロピーは、エネルギー分散の測定基準と考えることができます。プロセスで拡散されたエネルギー量を計算します。エネルギーの流れは常に高から低です。その結果、エントロピーは常に増加しています。
