1.3 Termodynamikens huvudsatser
FörberedandeFysik
| Teori | Övningar |
Mål och innehåll
Innehåll
- Den första huvudsatsen — den generella energiprincipen
- Motorer och verkningsgrader
- Kylmaskiner och köldfaktorn
- Vämepumpar och värmefaktorn
- Termodynamikens andra huvudsats
Läromål
Efter detta avsnitt ska du ha lärt dig att:
- Identifiera och beräkna tillfört värme, utfört arbete och spillvärme hos en motor.
- Identifiera och beräkna tillförd eleffekt och bortförd värmeeffekt hos ett kylskåp.
- Identifiera och beräkna tillförd eleffekt och avgiven värmeeffekt hos en värmepump.
- Beräkna verkningsgrader, s.k. godhetstal, hos motorer, värmepumpar med mera.
- Använda termodynamikens andra huvudsats för att uppskatta en övre gräns för verkningsgraden hos en motor eller värmepump.
- Använda termodynamikens andra huvudsats för att beskriva den resursförbrukning som sker i motorer.
FÖRFATTARE: Tony Burden & Jan-Erik Nowacki, KTH Mekanik
Sadi Carnot var en fransk ingenjör som levde under den första halvan av 1800-talet. Bland de som har bidragit till stora genombrott inom fysiken är han en av de första som gått igenom en formell ingenjörsutbildning.
Under Sadi Carnots relativt korta levnadstid fick ångmaskinen sitt stora genombrott i England, vilket ledde till att Frankrike under Napoleons ledning slutligen förlorade kriget mot England och dess allierade.
Sadi Carnot ville förstå hur ångmaskinen fungerade i grunden och särskilt hur bra den kunde bli som bäst. Trots att man på den tiden hade en mycket konstig förståelse av värme insåg Carnot att en ångmaskin omvandlar värme till arbete. Detta är i stort sett termodynamikens första huvudsats.
Dessutom insåg Carnot att ångmaskinen inte kunde omvandla allt värme i ångan till arbete. En del värme måste gå till spillo vid en temperatur som är lägre än den hos den upphettade ångan. Detta är ett sätt att skriva termodynamikens andra huvudsats.
Dessa frågeställningar är mycket aktuella idag då vi försöker begränsa moderna motorers inverkan på vår miljö och jordens klimat.
Den nollte huvudsatsen
Den nollte huvudsatsen säger att vid termodynamisk jämvikt har allt samma temperatur.
Den första huvudsatsen hävdar att energi inte går att förstöra. Energi kan omvandlas mellan olika former som inre energi, värme och arbete men den totala mängden energi är konstant.
Den andra huvudsatsen kan skrivas på några olika sätt. Det är kanske dess olika följder som man kommer ihåg i första hand.
Följderna av den andra huvudsatsen
Klassisk termodynamik är en extremt generell och allmängiltig del av fysiken. Huvudsatserna utgör grundstenar och teorin byggs sedan upp fullkomligt logiskt och stringent. Alla härledningar och bevis utförs lika noga som inom matematiken.
Inom vetenskapsfilosofin skulle man säga att huvudsatserna är postulat. De har inte härletts eller bevisats, men de överensstämmer med vår erfarenhet och med alla möjliga experiment. De verkar helt enkelt alltid vara uppfyllda.
Man kan försöka hävda att huvudsatserna är intuitivt självklara men det är inte fullt så enkelt. Den andra huvudsatsen är ett intressant exempel. Clausius formulering verkar vara helt självklar medan den formulering som Carnot, Kelvin och Planck arbetade med, kommer snarare som en stor besvikelse!
Läs om Den andra huvudsatsen igen.
