Термодинамика: определение, закони и уравнения

За много хора термодинамиката звучи като някакъв страшен клон на физиката, който само умните хора могат да разберат. Но с някои основни знания и малко работа, всеки може да осмисли тази област на обучение.

Термодинамиката е клон на физиката, който изследва протичането във физическите системи поради пренос на топлинна енергия. Физиците от Сади Карно до Рудолф Клаузиус и Джеймс Клерк Максуел до Макс Планк са имали пръст в развитието му.

Думата "термодинамика" идва от гръцките корени термос, което означава горещо или топло, и динамикос, което означава мощно, макар че по-късните интерпретации на корена му приписват значението на действие и движение. По същество термодинамиката е изследване на топлинната енергия в движение.

Термодинамиката се занимава с това как топлинната енергия може да се генерира и трансформира в различни форми на енергия като механична енергия. Той също така изследва понятието за ред и разстройство във физическите системи, както и енергийната ефективност на различните процеси.

Дълбокото изследване на термодинамиката също разчита в голяма степен статистическа механика за да се разбере кинетичната теория и т.н. Основната идея е, че термодинамичните процеси могат да се разбират от гледна точка на това, което правят всички малки молекули в системата.

Проблемът обаче е, че е невъзможно да се наблюдава и отчита индивидуалното действие на всяка молекула, така че вместо това се прилагат статистически методи и с голяма точност.

Някои основни работи, свързани с термодинамиката, са разработени още през 1600-те години. Законът на Бойл, разработен от Робърт Бойл, определя връзката между налягането и обема, което в крайна сметка води до закона за идеалния газ, когато се комбинира със закона на Чарлз и закона на Гей-Лусак.

Едва през 1798 г. топлината се разбира като форма на енергия от граф Ръмфорд (известен още като сър Бенджамин Томпсън). Той отбеляза, че генерираната топлина е пропорционална на работата, извършена при завъртането на скучен инструмент.

В началото на 1800 г. френският военен инженер Сади Карно е извършил значителна работа в разработване на концепцията за цикъл на топлинен двигател, както и идеята за обратимост в термодинамика процес. (Някои процеси работят точно толкова назад във времето, колкото напред във времето; тези процеси се наричат ​​обратими. Много други процеси работят само в една посока.)

Работата на Карно доведе до развитието на парната машина.

По-късно Рудолф Клавзий формулира първия и втория закон на термодинамиката, които са описани по-късно в тази статия. Областта на термодинамиката еволюира бързо през 1800 г., когато инженерите работят, за да направят парните машини по-ефективни.

Термодинамичните свойства и количества включват следното:

• Топлина, което е енергия, прехвърлена между обекти при различни температури.
• Температура, което е мярка за средната кинетична енергия на молекула в дадено вещество.
• Вътрешна енергия, което е сумата от молекулярната кинетична енергия и потенциалната енергия в система от молекули.
• Налягане, което е мярка за силата на единица площ върху контейнер, в който се помещава вещество.
• Сила на звука е триизмерното пространство, което дадено вещество заема.
• Микродържави са състоянията, в които са отделни молекули.
• Макростати са по-големите състояния, в които се намират колекции от молекули.
• Ентропия е мярка за разстройството в дадено вещество. Математически се определя от гледна точка на микросъстояния или еквивалентно по отношение на промените в топлината и температурата.

При изучаването на термодинамиката се използват много различни научни термини. За да опростите собствените си разследвания, ето списък с дефиниции на често използвани термини:

• Термично равновесие или термодинамично равновесие: Състояние, при което всички части на затворена система са с еднаква температура.
• Абсолютна нула Келвин: Келвин е SI единица за температура. Най-ниската стойност по тази скала е нула или абсолютна нула. Това е възможно най-студената температура.
• Термодинамична система: Всяка затворена система, която съдържа взаимодействия и обмен на топлинна енергия.
• Изолирана система: Система, която не може да обменя енергия с нищо извън нея.
• Топлинна енергия или топлинна енергия: Има много различни форми на енергия; сред тях е топлинната енергия, която е енергията, свързана с кинетичното движение на молекулите в дадена система.
• Безплатна енергия на Гибс: Термодинамичен потенциал, който се използва за определяне на максималния обем на обратима работа в системата.
• Специфичен топлинен капацитет: Количеството топлинна енергия, необходимо за промяна на температурата на единица маса на веществото с 1 градус. Това зависи от вида на веществото и е число, което обикновено се търси в таблици.
• Идеален газ: Опростен модел на газове, който се прилага за повечето газове при стандартна температура и налягане. Предполага се, че самите молекули газ се сблъскват при идеално еластични сблъсъци. Предполага се също така, че молекулите са достатъчно отдалечени една от друга, за да могат да бъдат третирани като точкови маси.

Има три основни закони на термодинамиката (наричан първи закон, втори закон и трети закон), но има и нулев закон. Тези закони са описани по следния начин:

The нулев закон на термодинамиката е може би най-интуитивният. Той гласи, че ако веществото А е в топлинно равновесие с вещество В, а веществото В е в топлинно равновесие с вещество С, тогава следва, че веществото А трябва да е в термично равновесие с вещество С.

The първи закон на термодинамиката е основно изказване на закона за запазване на енергията. Той гласи, че промяната във вътрешната енергия на дадена система е равна на разликата между топлинната енергия, предадена в системата, и работата, извършена от системата върху околната среда.

The втори закон на термодинамиката, понякога наричан закон, който предполага стрелка на времето - гласи, че общата ентропия в затворена система може да остане постоянна или да се увеличава с напредването на времето. Ентропията може да се разглежда свободно като мярка за разстройство на системата и този закон може да се мисли на свобода, като заявява, че „нещата са склонни да се смесват, колкото повече ги разклащате, за разлика от тях демиксиране. "

The трети закон на термодинамиката заявява, че ентропията на системата се приближава до постоянна стойност, тъй като температурата на системата се приближава до абсолютната нула. Тъй като при абсолютна нула няма молекулярно движение, има смисъл ентропията да не се промени в този момент.

Термодинамиката използва статистическата механика. Това е клон на физиката, който прилага статистика както за класическата, така и за квантовата физика.

Статистическата механика позволява на учените да работят с макроскопични величини по по-ясен начин, отколкото с микроскопични величини. Помислете например за температурата. Определя се като средната кинетична енергия на молекула в дадено вещество.

Какво ще стане, ако вместо това трябва да определите действителната кинетична енергия на всяка молекула и освен това да следите всяко сблъсък между молекулите? Би било почти невъзможно да се направи някакъв напредък. Вместо това се използват статистически техники, които позволяват разбирането на температурата, топлинния капацитет и така нататък като по-големи свойства на материала.

Тези свойства описват средното поведение, протичащо в материала. Същото важи и за величини като налягане и ентропия.

A топлинна машина е термодинамична система, която преобразува топлинната енергия в механична. Паровите двигатели са пример за топлинна машина. Те работят, като използват високо налягане за придвижване на буталото.

Топлинните двигатели работят на някакъв пълен цикъл. Те имат някакъв източник на топлина, който обикновено се нарича топлинна баня, който им позволява да поемат топлинна енергия. Тогава тази топлинна енергия причинява някаква термодинамична промяна в системата, като увеличаване на налягането или разширяване на газ.

Когато газът се разшири, той работи върху околната среда. Понякога това изглежда като предизвикване на движение на бутало в двигател. В края на цикъла се използва хладна баня, за да се върне системата в началната й точка.

Топлинните двигатели поемат топлинна енергия, използват я за извършване на полезна работа и след това също отделят или губят малко топлинна енергия за околната среда по време на процеса. The ефективност на топлинен двигател се определя като съотношението на полезната работна мощност към нетната вложена топлина.

Не е изненадващо, че учените и инженерите искат техните топлинни двигатели да бъдат възможно най-ефективни - превръщайки максималните количества вложена топлинна енергия в полезна работа. Може би си мислите, че най-ефективният топлинен двигател може да бъде 100 процента ефективен, но това е неправилно.

Всъщност има ограничение за максималната ефективност на топлинната машина. Ефективността зависи не само от вида на процеси в цикъла, дори когато е възможно най-доброто процеси (тези, които са обратими) се използват, най-ефективният топлинен двигател може да бъде в зависимост от относителната разлика в температурите между топлинната баня и хладната баня.

Тази максимална ефективност се нарича ефективност на Карно и това е ефективността на a Цикъл на Карно, което е цикъл на топлинен двигател, съставен от напълно обратим процеси.

Има много приложения на термодинамиката за процеси вижда се в ежедневието. Вземете например хладилника си. Хладилникът работи от термодинамичен цикъл.

Първо компресорът компресира парите на хладилния агент, което води до повишаване на налягането и го изтласква напред в намотки, разположени от външната страна на хладилника. Ако усетите тези намотки, те ще се чувстват топли на допир.

Околният въздух ги кара да се охлаждат и горещият газ се превръща обратно в течност. Тази течност се охлажда при високо налягане, докато се влива в намотки в хладилника, абсорбирайки топлина и охлаждайки въздуха. След като се нагрее достатъчно, той отново се изпарява в газ и се връща обратно в компресора и цикълът се повтаря.

Термопомпи, които могат да отопляват и охлаждат дома ви, работят на подобни принципи.