熱、仕事、および物質の特性の間のリンクの科学は、熱力学として知られています。熱と仕事はエネルギーによって密接に関連しているため、熱力学はエネルギーの研究として定義されます。エネルギーは私たちの生活にとって非常に重要で必要な要素であるため、私たちは皆、熱力学を理解する必要があります。さらに、エンジニアリングを効果的に実践するために、エンジニアおよびエンジニアを目指す人は、熱力学の基礎と応用を知っている必要があります。
熱力学の法則は、人間と自然との相互作用の総和であり本質です。第 0 法則は温度測定の基礎を確立しますが、第 1 法則と第 2 法則はエネルギーとエントロピーの 2 つの性質、およびエネルギーの保存と分解を指定します。
熱力学のゼロ法則
物体「A」が別の物体「b」および物体「C」と別々に熱平衡状態にある場合、物体「B」と「C」は同様に互いに熱平衡状態にあります。熱力学のゼロ次法則は、このステートメントによって定義されます。法律は温度の測定に基づいています。
熱力学のゼロ次法則は、物体間で熱が移動するかどうかを予測するため、温度が重要な測定値であることを示しています。アイテムがどのように相互作用するかに関係なく、これは真実です。熱伝達の放射メカニズムによれば、物理的に触れていなくても、2 つの物の間で熱が移動することがあります。熱力学の第 0 法則は、システムが熱平衡状態にある場合、熱の流れは発生しないと述べています。
熱力学のゼロ法則の応用
この法則は、熱力学の数学的定式化、または別の言い方をすれば、温度の数学的定義を定義するために重要です。この概念の最も一般的な用途は、さまざまなものの温度を比較することです。
温度を正確に測定したい場合は、参照体と、温度によって変化するその体の特性が必要になります。その属性の変化は、温度変化として解釈できます。選択された属性は、熱力学的特性と呼ばれます。
温度計は、熱力学のゼロ次法則の最も一般的なアプリケーションです。チューブに水銀を入れた一般的な温度計を使用すると、動作中のゼロ次法則を見ることができます。温度が上昇してもチューブの面積が一定であるという理由だけで、水銀は膨張します。この開発の結果、高さは増加しました。現在、水銀ラベルの高さの変化は温度変化を示しており、実際にそれを測定するのに役立ちます.
熱力学第一法則
熱力学の第一法則によれば、孤立した系の総エネルギーは一定です。エネルギーはいくつかの形に変えることができますが、作成したり破壊したりすることはできません。
この法則によれば、システムに供給された熱の一部は内部エネルギーを変化させるために利用され、残りはシステムによって仕事を実行するために使用されます。数学的には、
ΔQ=ΔU+ΔW
ΔQ =供給される熱
ΔW=完了した作業
ΔU =内部エネルギーの変化
Q が正の場合、システムへの正味の熱伝達があり、W が正の場合、システムによって行われる仕事があります。その結果、正の Q はシステムにエネルギーを与えますが、正の W はそれを枯渇させます。
熱力学第一法則の応用
- 等温プロセス: 等温操作中、理想気体の温度は一定のままです。これは、システムの熱が環境に対して動作するために使用されていることを意味します。だから、
ΔQ=ΔU+ΔW
ΔQ=W
ΔQ =供給される熱
ΔW=完了した作業
ΔU =内部エネルギーの変化
- 溶解プロセス: 固体が溶けて液体になると、固体の内部エネルギーが増加します。液体の質量を m、固体の潜熱を L とします。 dQ =mL は、システムが吸収する熱量です。
小さな膨張が発生すると、ΔV=0
dW=P∆V=0
したがって、
ΔQ=ΔU+ΔW
ΔU=mL
その結果、溶融プロセス中に内部エネルギーが増加します。
- 熱機関: 第 1 法則の最も一般的な実際の適用は、熱機関です。熱機関は、熱エネルギーを機械エネルギーに、またはその逆に変換します。オープン システムは、熱機関の大部分を占めています。熱機関の基本概念は、作動流体の熱、体積、圧力の関係に基づいています。この流体は一般的に気体ですが、サイクル中に気体から液体に変化し、気体に戻る場合もあります。
ガスが加熱されると膨張します。しかし、気体が含まれていると、膨張して圧力が上昇します。閉じ込めチャンバーの底壁が動いているピストンの上部である場合、ピストンの表面に加えられた圧力により、ピストンは下に移動します。この動きを利用して、ピストンの上部にかかる力全体にピストンの移動距離を掛けたものに等しい仕事を生み出すことができます。
冷蔵庫とヒートポンプ
冷蔵庫やヒート ポンプなどの機械エネルギー変換器は、機械エネルギーを熱に変換します。クローズド システムは、これらの大部分を占めています。気体は圧縮すると温度が上がります。高温のガスは、環境に熱を伝えることができます。高温サイクル中に熱エネルギーの一部が失われたため、圧縮ガスの温度は、膨張が許可されたときに圧縮前の温度よりも低下します。冷たいガスは、その環境から熱エネルギーを吸収できます。
エアコンの作動原理は以下の通りです。エアコンは寒さを作りません。代わりに、それを削除します。作動流体は機械式ポンプによって外部に送り出され、そこで圧縮および加熱されます。熱はその後、通常は空冷熱交換器を介して大気に伝達されます。熱は、別の熱交換器を介して内部の空気から取り出されてから、室内に伝達されて膨張し、冷却されます。
熱力学第二法則
熱力学の第 2 法則によると、自発的に発生するプロセスは常に宇宙のエントロピー (S) の増加をもたらします。簡単に言えば、この法律は、孤立したシステムのエントロピーは時間が経っても決して減少しないと述べています.
第 2 法則は、100% の効率で熱エネルギーを機械エネルギーに変換することは不可能であると明確に述べています。たとえば、エンジンのピストンを見ると、気体を加熱して圧力を上げてピストンを動かしています。ただし、ピストンが動いても、ガスには他の目的に使用できない熱が常に残っています。熱が無駄になるので、廃棄する必要があります。この状況では、使用済みの燃料と空気の混合物を大気中に排出するか、自動車エンジンの場合はヒートシンクに移動することにより、廃熱が除去されます。
熱力学第二法則の応用
法則によれば、熱は常に高温の物体から低温の物体へと流れます。この法則は、オットー、ディーゼルなどを含むあらゆる種類の熱機関サイクル、およびあらゆる種類の作動流体に適用されます。この法律は、現代の自動車の進歩を促進してきました.
逆カルノー サイクルに基づく冷蔵庫とヒート ポンプは、この概念のもう 1 つの実装です。温度の低い物体から温度の高い物体に熱を伝えたい場合は、外部仕事を提供する必要があります。熱は元のカルノー サイクルで仕事を生成しますが、逆カルノー サイクルでは低温の貯留層から高温の貯留層に熱を輸送するために仕事が提供されます。
冷蔵庫内の食品からの熱は、自動的に取り除かれ、暖かい環境に捨てられません。冷蔵庫でこれを行うには、コンプレッサーを介して外部仕事を供給する必要があります。
熱力学の法則は、エアコンとヒート ポンプの両方に適用されます。エアコンは、吸収した熱を大気中に放出することで、室内の熱を取り除き、室温を下げます。冬には、ヒート ポンプが大気から熱を収集し、それを部屋に分配します。
結論
ある形態から別の形態へのエネルギーの移動、および熱と温度、エネルギー、および行われた仕事との関係を扱う科学の分野は、熱力学として知られています。言い換えれば、熱力学は、熱力学の原理によって支配される物質の状態の変化に対する熱と仕事の複合効果の研究に関係する科学の分野です。
エネルギーは、物質と同じように常に保存されているため、生成したり破壊したりすることはできませんが、さまざまな形に変換できます。内部エネルギーとは、システムの分子に関連するエネルギーを指し、運動エネルギーと位置エネルギーの両方が含まれます。熱、仕事、および内部エネルギーの相互作用の結果としてシステムが変化するたびに、一連のエネルギー移動と変換が発生します。
