keskiviikko 10. syyskuuta 2014

Fysiikka 2: luku 7 Lämpöopin pääsäännöt



Fysiikka 2: luku 7 Lämpöopin pääsäännöt


Lämpöopin pääsääntöjä kutsutaan myös termodynamiikan pääsäännöiksi. Sisäenergia on rakenneosasten lämpöliikkeen liike-energioiden ja rakenneosasten välisiin vuorovaikutuksiin liittyvien potentiaalienergioiden summa. Systeemin sisäenergiaa kutsutaan tilanfunktioksi, koska sen arvo riippuu ainoastaan systeemin senhetkisestä tilasta. Sisäenergian arvoon ei vaikuta se, miten tilaan on päädytty. Sisäenergia voi muuttua työn ja lämmön seurauksena.

Systeemiin tehty mekaaninen työ W kasvattaa systeemin sisäenergiaa, ja systeemin ympäristöön tekemä työ taas pienentää sisäenergiaa. Systeemi tekee työtä ympäristöön esim silloin, kun se laajetessaan työntää tieltään ilmaa tai muuta ympäristössä olevaa ainetta.

Lämpöopin nollannen pääsäännön mukaan: jos systeemi A on lämpötasapainossa systeemien B ja C kanssa, silloin myös systeemit B ja C ovat lämpötasapainossa keskenään eli kaikilla kolmella systeemillä on sama lämpötila. Systeemin sisäenergian arvoa ei voida määrittää. Sen sijaan voidaan tarkastella sisäenergian muutoksia. Systeemin sisäenergian muutos on:

∆U = Q + W

jossa Q on lämpönä systeemiin tai systeemistä siirtynyt energia ja W on systeemiin tehty tai systeemin tekemä työ. Lämpöopin ensimmäisen pääsäännön mukaan systeemin sisäenergian muutos on systeemin ja ympäristön välillä lämpönä siirtyneen energian ja tehdyn työn summa.

Kun lämpönä siirtynyt energia Q tai työ W on
-         positiivinen, energiaa siirtyy systeemiin
-         negatiivinen, energiaa siirtyy systeemistä ympäristöön.

Mekaanisen energian määrä ei aina säily, vaan osa siitä voi muuttua esim kitkan vaikutuksesta sisäenergiaksi. Energian kokonaismäärä pysyy kuitenkin aina muuttumattomana.

Lämpöopin toisen pääsäännön mukaan energiaa siirtyy lämpönä aina korkeammasta lämpötilasta matalampaan ja niin kauan, kunnes saavutetaan lämpötasapaino. Sama laki voidaan sanoa näinkin: Eristetyn systeemin epäjärjestys kasvaa, kunnes systeemi saavuttaa tasapainotilan. Epäjärjestys ei koskaan itsestään vähene.

Tasapainotila on systeemin epäjärjestynein tila. Epäjärjestyksen kasvaminen tarkoittaa energian ja aineen jakautumista yhä tasaisemmin systeemissä. Entropia kuvaa epäjärjestyksen määrää. Mitä suurempi epäjärjestys on, sitä suurempi on entropia. Luonnossa spontaanisti tapahtuvat ilmiöt lisäävät entropiaa.


Laajenevan kaasun tekemä työ


Laajetessaan vakiopaineessa eli isobaarisesti kaasun tekemä työ on

W = p∆V

Jos kaasua lämmitetään vakiopaineessa ja se ottaa vastaan lämpönä energian Q ja tekee samalla ympäristöön työn W, lämpöopin ensimmäinen pääsääntö kirjoitetaan muotoon

∆U = Q + W = Q – W = Q - p∆V

Tuossa työn eteen tulee miinusmerkki, koska se on systeemin tekemä työ, ei systeemiin tehty työ!


Lämpövoimakoneet


Lämpövoimakoneessa lämpö muuttuu osittain (mekaaniseksi) työksi. Lämpövoimakoneen toiminnan edellytys on lämpötilaero. Koneet voivat toimia vain, kun ne saavat energiaa. Polttoaineen lämpöarvo eli palamislämpö H ilmoittaa, kuinka paljon palamisreaktiossa vapautuu energiaa Q polttoaineen massayksikköä kohti. Polttoaineen lämpöarvo on

H = Q / m

jossa Q on palamisreaktiossa vapautuvan energian määrä ja m poltettavan aineen massa. Polttoaineesta vapautuvan energian määrä saadaan yhtälöstä

Q = Hm



Lämpövoimakoneen toimintaperiaate


Lämpövoimakoneen toiminta edellyttää, että energia kulkee itsestään koneen läpi, jolloin osa tästä energiasta muuntuu mekaaniseksi työksi. Energian siirtyminen itsestään taas edellyttää lämpötilaeroa koneen yhteydessä olevien lämpövarastojen (säiliöiden) välillä. Lämpövoimakoneet toimivat jaksollisesti siten, että tietty tapahtumasarja toistuu.

Jokaisella kierroksella prosessin alussa lämpövoimakoneen aineeseen, kuten kaasuun, siirtyy lämpösäiliöstä energia Q1. Tämän jälkeen kaasun sisäenergia pienenee ja kaasu luovuttaa energian Q2 kylmäsäiliöön. Lämpövoimakone käyttää energioiden erotuksen Q1- Q2 mekaanisen työn W suorittamiseen. Lämpövoimakoneen hyötysuhde on

η = W / Q1 = Q1-Q2 / Q1

Lämpövoimakoneiden hyötysuhde voidaan esittää myös lämpötilojen avulla, kun T1 on lämpösäiliön ja T2 kylmäsäiliön lämpötila. Tätä hyötysuhdetta kutsutaan Carnot-hyötysuhteeksi, ja se on lämpövoimakoneen hyötysuhteen teoreettinen yläraja. Carnot –hyötysuhde:

ηmax = T1-T2 / T1

Hyötysuhde on sitä suurempi, mitä suuremmalla lämpötilavälillä lämpövoimakone toimii. Jäähdytyskone siirtä energiaa lämpönä kylmemmästä säiliöstä lämpimämpään ja käyttää tähän siirtoon mekaanista energiaa. Prosessi jäähdyttää kylmäsäiliötä ja lämmittää lämpösäiliötä. Jäähdytyskone tarvitseekin toimiakseen ulkopuolista energiaa. Jäähdytyskoneet toimivat päinvastaiseen suuntaan kuin Carnot´n lämpövoimakone.

Ei kommentteja:

Lähetä kommentti