A termodinamika főtételei

I. főtétel:

A belső energia a testeket alkotó részecskék hőmozgásából, és a részecskék közötti kölcsönhatásból származó energia. Ha T != 0 (nem nulla), akkor a test rendelkezik belső energiával. A termikus kölcsönhatás során a hidegebb test felmelegszik, és a belső energiája nő, míg a melegebb lehűl, és a belső energiája csökken. Egy test belső energiáját hőcserével, és mechanikai úton lehet megváltoztatni. A belső energiára is igaz az energia-megmaradás tétele, ezért:

∆E(b) = Q+W

Me.: J

Ez a képlet a hőtan első főtétele: a testek belső energiájának megváltozása egyenlő a testtel közölt hő, és a testen végzett mechanikai munka előjeles összegével.

Ahol a Q a hőmennyiség: két test között közvetlenül átadott energia mennyisége. Mivel energia, ezért mértékegysége joule [J] (W=F*s). Q=c*m*rT

Ha egy rendszerben – amelyben p nyomás uralkodik – bármilyen halmazállapotú anyagnak megnő a térfogata, a nyomás ellenében munkát kell végezni, vagy ha csökken a térfogata, akkor a külső nyomás végez munkát. Ezt a munkát nevezzük térfogati munkának. A belső energia általában térfogati munkává alakul át. Ilyet látunk például az autók motorjainak hengereiben.

Az első főtételből következik, hogy nem létezik elsőfajú perpetuum mobile, amely munkát végezne anélkül, hogy belső energiája ne csökkenne.

A mozgási energia a részecskék között, a rendezetlen mozgás, és az ütközések miatt, egyformán oszlik el. Ez az ekvipartíció tétele. Ezt a tételt először Boltzman fogalmazta meg.

A részecskék átlagos mozgási energiája:

ε = 3/2 * k*T

A részecskék átlagos forgási energiája:

ε = 1/2 * (forgástengely) * k*T

A részecskék átlagos teljes energiája:

ε = f/2 *k*T

ahol f a szabadsági fok.

Ebből adódóan:

E(b) = N*ε = N * f/2 *k*T = f/2 * p*V

Az első főtételt az ideális gázokra alkalmazva:

∆E(b) = Q – p * ∆V

II. főtétel:

A termikus kölcsönhatások során létrejött valóságos folyamatok mindig irreverzibilisek (megfordíthatatlanok). (Kelvin)

Vagy másként megfogalmazva a hőmérséklet mindig kiegyenlítődik, tehát külső beavatkozás nélkül nem kerülhet hő egy alacsonyabb hőmérsékletű helyről egy magasabb hőmérsékletű helyre. (Clausius)

A tétel harmadik megfogalmazása szerint nincs olyan periodikusan működő hőerőgép, ami hőt von el, és azt teljes mértékben mechanikai munkává alakítja. Tehát nem készíthető másodfajú perpetuum mobile. (Max Planck)

A harmadik megfogalmazást könnyen beláthatjuk, hisz a hőmozgás rendezetlenségének mindig nőnie kell. A részecskék a folyamat során egyre rendezetlenebbül helyezkednek el. A rendezettségre bevezethetjük az entrópia fogalmát. Jele: S. ∆S = ∆Q/T Az entrópia tehát mindig növekszik a folyamat során, azaz az egyensúlyi állapotban lesz maximális (entrópiamaximum elve). Ez a spontán, valóságos folyamatokra igaz. Az idealizált, reverzibilis folyamatok entrópiája állandó marad.

Szintén a harmadikból következik, hogy a hőerőgépek hatásfoka nem érheti el a 100%-ot (vagy az 1-et). Körfolyamatoknál (hőerőgépek): η = ∑W / ∑Q(be). A második főtételből adódóan: η = T(2) – T(1) / T(1).

III. főtétel:

Az abszolút zérus pont (0K) nem érhető el.

A hőerőgépek hő befektetésével mechanikai munkát kapunk. Természetesen van némi hőveszteség is ( Q(le) ).

A hőerőgépek két nagy csoportja létezik: a gőzgépek és a gázgépek. Ezek hatásfoka (hasznos munka/összes munka) és működése is eltérő.

A gőzgépeken belül léteznek a dugattyús és a gőzturbinás gépek. A dugattyús gőzgépben egy kazánban termelődik a gőz, amely közvetlenül meghajt egy dugattyút. A dugattyú lendítőkereket hajt meg, ezáltal lesz a mozgás egyenletesebb. A fáradt gőz a dugattyú benyomott állapotakor távozik.

A gőzturbina hatásfoka már jobb (kb. 20%), mivel az energiát egyből forgómozgássá alakítja. A forró gőz egy turbinakereket mozgat, így egyenletesebb a munkavégzés, viszont csak egy irányba tud mozogni. Atomerőművekben is ezt alkalmazzák, mivel egyenletes teljesítménnyel kell meghajtani.

A gázgépek közé tartoznak a belső égésű motorok, a gázturbinák, a gázsugár-motorok és a rakétahajtóművek.

Legelterjedtebb fajtája a négyütemű Otto-motor, melyet az autókban is alkalmaznak. A négy ütem a következő:

1. Szívás: gázkeverék jut az égéstérbe a szívó-szelepen keresztül