Termodynamika: Definice, zákony a rovnice

Pro mnoho lidí zní termodynamika jako nějaká strašidelná větev fyziky, které mohou rozumět jen chytří lidé. Ale s určitými základními znalostmi a trochou práce může každý pochopit tuto oblast studia.

Termodynamika je odvětví fyziky, které zkoumá vývoj ve fyzických systémech v důsledku přenosu tepelné energie. Na jeho vývoji se podíleli fyzici od Sadi Carnota po Rudolfa Clausia a Jamese Clerka Maxwella po Maxe Plancka.

Slovo „termodynamika“ pochází z řeckých kořenů termoska, což znamená horké nebo teplé, a dynamikos, což znamená silný, ačkoli pozdější interpretace kořene mu připisují význam akce a pohybu. Termodynamika je v podstatě studium tepelné energie v pohybu.

Termodynamika se zabývá tím, jak lze tepelnou energii generovat a transformovat na různé formy energie, jako je mechanická energie. Rovněž zkoumá pojem řádu a nepořádku ve fyzických systémech, jakož i energetickou účinnost různých procesů.

Hluboká studie termodynamiky se také velmi spoléhá statistická mechanika

Problém však spočívá v tom, že je nemožné pozorovat a zohlednit individuální působení každé molekuly, takže se místo toho používají statistické metody a to s velkou přesností.

Některé základní práce související s termodynamikou byly vyvinuty již v 16. století. Boyleův zákon, který vyvinul Robert Boyle, určoval vztah mezi tlakem a objemem, což nakonec vedlo k zákonu o ideálním plynu v kombinaci s Charlesovým zákonem a zákonem Gay-Lussaca.

Teprve v roce 1798 hrabě Rumford (aka Sir Benjamin Thompson) chápal teplo jako formu energie. Zjistil, že vznikající teplo bylo úměrné práci při soustružení vyvrtávacího nástroje.

Na počátku 19. století zde francouzský vojenský inženýr Sadi Carnot odvedl značné množství práce vývoj koncepce cyklu tepelného motoru, stejně jako myšlenky reverzibility v termodynamice proces. (Některé procesy fungují stejně dobře v čase i vpřed; tyto procesy se nazývají reverzibilní. Mnoho dalších procesů funguje pouze jedním směrem.)

Carnotova práce vedla k vývoji parního stroje.

Později Rudolf Clausius formuloval první a druhý zákon termodynamiky, které jsou popsány dále v tomto článku. Pole termodynamiky se rychle vyvinulo v 19. století, kdy inženýři pracovali na zvýšení účinnosti parních strojů.

Termodynamické vlastnosti a veličiny zahrnují následující:

• Teplo, což je energie přenášená mezi objekty při různých teplotách.
• Teplota, což je míra průměrné kinetické energie na molekulu v látce.
• Vnitřní energie, což je součet molekulární kinetické energie a potenciální energie v systému molekul.
• Tlak, což je míra síly na jednotku plochy na nádobě, ve které je uložena látka.
• Objem je trojrozměrný prostor, který látka zabírá.
• Microstates jsou stavy, ve kterých jsou jednotlivé molekuly.
• Makrostáty jsou větší stavy, ve kterých jsou sbírky molekul.
• Entropie je mírou poruchy látky. Je to matematicky definováno z hlediska mikrostatů nebo ekvivalentně z hlediska změn tepla a teploty.

Při studiu termodynamiky se používá mnoho různých vědeckých termínů. Abychom vám zjednodušili vlastní vyšetřování, uvádíme seznam definic běžně používaných výrazů:

• Tepelná rovnováha nebo termodynamická rovnováha: Stav, ve kterém jsou všechny části uzavřeného systému při stejné teplotě.
• Absolutní nula Kelvina: Kelvin je jednotka SI pro teplotu. Nejnižší hodnota na této stupnici je nula nebo absolutní nula. Je to nejchladnější možná teplota.
• Termodynamický systém: Jakýkoli uzavřený systém, který obsahuje interakce a výměny tepelné energie.
• Izolovaný systém: Systém, který si nemůže vyměňovat energii s ničím mimo něj.
• Tepelná energie nebo tepelná energie: Existuje mnoho různých forem energie; mezi nimi je tepelná energie, což je energie spojená s kinetickým pohybem molekul v systému.
• Gibbsova volná energie: Termodynamický potenciál, který se používá k určení maximálního množství reverzibilní práce v systému.
• Specifická tepelná kapacita: Množství tepelné energie potřebné ke změně teploty jednotkové hmotnosti látky o 1 stupeň. Závisí to na typu látky a je to číslo obvykle vyhledávané v tabulkách.
• Ideální plyn: Zjednodušený model plynů, který platí pro většinu plynů při standardní teplotě a tlaku. Předpokládá se, že samotné molekuly plynu kolidují v dokonale elastických srážkách. Rovněž se předpokládá, že molekuly jsou od sebe dostatečně vzdálené, aby s nimi bylo možné zacházet jako s hmotami bodů.

Existují tři hlavní zákony termodynamiky (nazývaný první zákon, druhý zákon a třetí zákon), ale existuje také zákon nula. Tyto zákony jsou popsány následovně:

The nulový zákon termodynamiky je pravděpodobně nejintuitivnější. Uvádí, že pokud je látka A v tepelné rovnováze s látkou B, a látka B je v tepelné rovnováha s látkou C, pak vyplývá, že látka A musí být v tepelné rovnováze s látka C.

The první zákon termodynamiky je v zásadě vyjádřením zákona zachování energie. Uvádí, že změna vnitřní energie systému se rovná rozdílu mezi tepelnou energií přenášenou do systému a prací systému v jeho okolí.

The druhý zákon termodynamiky, někdy označovaný jako zákon, který implikuje šipku času - uvádí, že celková entropie v uzavřeném systému může zůstat konstantní nebo se může zvyšovat pouze s časovým posunem vpřed. Entropii lze volně považovat za míru poruchy systému a tento zákon si lze představit volně říkat, že „věci mají tendenci se mísit dohromady, čím víc jimi zatřeseš, na rozdíl od toho směšování. “

The třetí zákon termodynamiky uvádí, že entropie systému se blíží konstantní hodnotě, když se teplota systému blíží absolutní nule. Protože při absolutní nule nedochází k žádnému molekulárnímu pohybu, má smysl, že entropie se v tomto bodě nezmění.

Termodynamika využívá statistické mechaniky. Toto je odvětví fyziky, které aplikuje statistiky na klasickou i kvantovou fyziku.

Statistická mechanika umožňuje vědcům pracovat s makroskopickými veličinami přímočařeji než s mikroskopickými veličinami. Zvažte například teplotu. Je definována jako průměrná kinetická energie na molekulu v látce.

Co kdybyste místo toho potřebovali určit skutečnou kinetickou energii každé molekuly a navíc sledovat každou kolizi mezi molekulami? Bylo by téměř nemožné dosáhnout pokroku. Místo toho se používají statistické techniky, které umožňují pochopit teplotu, tepelnou kapacitu atd. Jako větší vlastnosti materiálu.

Tyto vlastnosti popisují průměrné chování probíhající v materiálu. Totéž platí o veličinách, jako je tlak a entropie.

A tepelný motor je termodynamický systém, který přeměňuje tepelnou energii na energii mechanickou. Příkladem tepelného stroje jsou parní stroje. Pracují pomocí vysokého tlaku k pohybu pístu.

Tepelné motory pracují na nějakém úplném cyklu. Mají nějaký druh zdroje tepla, který se obvykle nazývá tepelná lázeň, který jim umožňuje přijímat tepelnou energii. Tato tepelná energie pak způsobí v systému nějakou termodynamickou změnu, jako je zvýšení tlaku nebo expanze plynu.

Když plyn expanduje, funguje na životním prostředí. Někdy to vypadá, jako by se píst pohyboval v motoru. Na konci cyklu se pomocí chladicí lázně uvede systém zpět do výchozího bodu.

Tepelné motory přijímají tepelnou energii, využívají ji k provádění užitečné práce a během procesu také vydávají nebo ztrácejí určitou tepelnou energii do okolí. The účinnost tepelného motoru je definován jako poměr užitečného pracovního výkonu k čistému tepelnému příkonu.

Není divu, že vědci a inženýři chtějí, aby jejich tepelné motory byly co nejúčinnější - převáděly maximální množství tepelné energie na užitečnou práci. Možná si myslíte, že nejúčinnější tepelný motor může být stoprocentně efektivní, ale to je nesprávné.

Ve skutečnosti existuje omezení maximální účinnosti tepelného motoru. Účinnost závisí nejen na typu procesy v cyklu, i když je to nejlepší možné procesy (ty, které jsou reverzibilní) se používají, nejúčinnější tepelný motor může být, závisí na relativním rozdílu teplot mezi tepelnou lázní a chladnou lázní.

Tato maximální účinnost se nazývá Carnotova účinnost a jedná se o účinnost a Carnotův cyklus, což je cyklus tepelného motoru složený ze zcela reverzibilního procesy.

Existuje mnoho aplikací termodynamiky procesy vidět v každodenním životě. Vezměte si například ledničku. Chladnička pracuje mimo termodynamický cyklus.

Nejprve kompresor komprimuje páry chladiva, což způsobí zvýšení tlaku a tlačí je vpřed do cívek umístěných na vnější zadní straně vaší chladničky. Pokud tyto cívky ucítíte, budou na dotek teplé.

Okolní vzduch způsobí jejich ochlazení a horký plyn se promění zpět v kapalinu. Tato kapalina se ochlazuje pod vysokým tlakem, když proudí do cívek uvnitř chladničky, absorbuje teplo a ochlazuje vzduch. Jakmile je dostatečně horký, odpařuje se znovu na plyn a vrací se zpět do kompresoru a cyklus se opakuje.

Na podobných principech fungují tepelná čerpadla, která mohou vytápět a chladit váš dům.