Θερμοδυναμική: Ορισμός, Νόμοι και Εξισώσεις

Για πολλούς ανθρώπους, η θερμοδυναμική μοιάζει με κάποιο τρομακτικό κλάδο της φυσικής που μόνο οι έξυπνοι άνθρωποι μπορούν να καταλάβουν. Αλλά με κάποια θεμελιώδη γνώση και λίγη δουλειά, ο καθένας μπορεί να κατανοήσει αυτόν τον τομέα σπουδών.

Η θερμοδυναμική είναι ένας κλάδος της φυσικής που διερευνά τις εξελίξεις στα φυσικά συστήματα λόγω της μεταφοράς θερμικής ενέργειας. Οι φυσικοί από τον Σαρν Κάρνοτ έως τον Ρούντολφ Κλάους και τον Τζέιμς Κλαρκ Μάξγουελ έως τον Μάξ Πλανκ είχαν όλοι συμβάλει στην ανάπτυξή του.

Η λέξη «θερμοδυναμική» προέρχεται από τις ελληνικές ρίζες θερμός, που σημαίνει ζεστό ή ζεστό, και δυναμική, που σημαίνει ισχυρή, αν και μεταγενέστερες ερμηνείες της ρίζας αποδίδουν την έννοια της δράσης και της κίνησης σε αυτήν. Στην ουσία, η θερμοδυναμική είναι η μελέτη της θερμικής ενέργειας σε κίνηση.

Η θερμοδυναμική ασχολείται με το πώς η θερμική ενέργεια μπορεί να παραχθεί και να μετατραπεί σε διαφορετικές μορφές ενέργειας όπως η μηχανική ενέργεια. Διερευνά επίσης την έννοια της τάξης και της διαταραχής στα φυσικά συστήματα, καθώς και την ενεργειακή απόδοση διαφορετικών διαδικασιών.

Μια βαθιά μελέτη της θερμοδυναμικής βασίζεται επίσης σε μεγάλο βαθμό στατιστική μηχανική για να κατανοήσουμε την κινητική θεωρία και ούτω καθεξής. Η βασική ιδέα είναι ότι οι θερμοδυναμικές διεργασίες μπορούν να γίνουν κατανοητές ως προς το τι κάνουν όλα τα μικρά μόρια ενός συστήματος.

Το πρόβλημα είναι, ωστόσο, ότι είναι αδύνατο να παρατηρηθεί και να ληφθεί υπόψη η ατομική δράση κάθε μορίου, επομένως εφαρμόζονται στατιστικές μέθοδοι και με μεγάλη ακρίβεια.

Ορισμένες θεμελιώδεις εργασίες που σχετίζονται με τη θερμοδυναμική αναπτύχθηκαν ήδη από το 1600. Ο νόμος του Boyle, που αναπτύχθηκε από τον Robert Boyle, καθόρισε τη σχέση μεταξύ πίεσης και όγκου, η οποία τελικά οδήγησε στον ιδανικό νόμο για το φυσικό αέριο όταν συνδυάζεται με τον νόμο του Καρόλου και τον νόμο του Gay-Lussac.

Μόλις το 1798, η θερμότητα έγινε κατανοητή ως μορφή ενέργειας από τον Κόμη Ρούμφορντ (γνωστός και ως Sir Benjamin Thompson). Παρατήρησε ότι η θερμότητα που παράγεται ήταν ανάλογη με τη δουλειά που έγινε με τη στροφή ενός βαρετού εργαλείου.

Στις αρχές της δεκαετίας του 1800, ο Γάλλος στρατιωτικός μηχανικός Sadi Carnot έκανε σημαντική δουλειά αναπτύσσοντας την έννοια ενός κύκλου κινητήρα θερμότητας, καθώς και την ιδέα της αναστρεψιμότητας σε μια θερμοδυναμική επεξεργάζομαι, διαδικασία. (Ορισμένες διεργασίες λειτουργούν εξίσου καλά προς τα πίσω στο χρόνο όπως και προς τα εμπρός στο χρόνο. Αυτές οι διαδικασίες ονομάζονται αναστρέψιμες. Πολλές άλλες διαδικασίες λειτουργούν μόνο σε μία κατεύθυνση.)

Η δουλειά του Carnot οδήγησε στην ανάπτυξη της ατμομηχανής.

Αργότερα, ο Rudolf Clausius διατύπωσε τον πρώτο και δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής, οι οποίοι περιγράφονται αργότερα σε αυτό το άρθρο. Ο τομέας της θερμοδυναμικής εξελίχθηκε γρήγορα το 1800 καθώς οι μηχανικοί εργάστηκαν για να κάνουν τους κινητήρες ατμού πιο αποτελεσματικούς.

Οι θερμοδυναμικές ιδιότητες και οι ποσότητες περιλαμβάνουν τα ακόλουθα:

• Θερμότητα, η οποία μεταφέρεται ενέργεια μεταξύ αντικειμένων σε διαφορετικές θερμοκρασίες.
• Θερμοκρασία, που είναι ένα μέτρο της μέσης κινητικής ενέργειας ανά μόριο σε μια ουσία.
• Εσωτερική ενέργεια, που είναι το άθροισμα της μοριακής κινητικής ενέργειας και της δυνητικής ενέργειας σε ένα σύστημα μορίων.
• Πίεση, που είναι ένα μέτρο της δύναμης ανά μονάδα επιφάνειας σε ένα δοχείο που στεγάζει μια ουσία.
• Ενταση ΗΧΟΥ είναι ο τρισδιάστατος χώρος που καταλαμβάνει μια ουσία.
• Μικροστάτες είναι οι καταστάσεις στις οποίες βρίσκονται μεμονωμένα μόρια.
• Μακροστάτες είναι οι μεγαλύτερες καταστάσεις στις οποίες βρίσκονται συλλογές μορίων.
• Εντροπία είναι ένα μέτρο της διαταραχής σε μια ουσία. Ορίζεται μαθηματικά ως προς τους μικροστάτες, ή ισοδύναμα, ως προς τις αλλαγές στη θερμότητα και τη θερμοκρασία.

Πολλοί διαφορετικοί επιστημονικοί όροι χρησιμοποιούνται στη μελέτη της θερμοδυναμικής. Για να απλοποιήσετε τις δικές σας έρευνες, ακολουθεί μια λίστα ορισμών των όρων που χρησιμοποιούνται συνήθως:

• Θερμική ισορροπία ή θερμοδυναμική ισορροπία: Μια κατάσταση στην οποία όλα τα μέρη ενός κλειστού συστήματος βρίσκονται στην ίδια θερμοκρασία.
• Απόλυτο μηδέν Kelvin: Το Kelvin είναι η μονάδα SI για τη θερμοκρασία. Η χαμηλότερη τιμή σε αυτήν την κλίμακα είναι μηδέν ή απόλυτο μηδέν. Είναι η ψυχρότερη δυνατή θερμοκρασία.
• Θερμοδυναμικό σύστημα: Κάθε κλειστό σύστημα που περιέχει αλληλεπιδράσεις και ανταλλαγές θερμικής ενέργειας.
• Μεμονωμένο σύστημα: Ένα σύστημα που δεν μπορεί να ανταλλάξει ενέργεια με τίποτα έξω από αυτό.
• Θερμική ενέργεια ή θερμική ενέργεια: Υπάρχουν πολλές διαφορετικές μορφές ενέργειας. Μεταξύ αυτών είναι η θερμική ενέργεια, που είναι η ενέργεια που σχετίζεται με την κινητική κίνηση των μορίων σε ένα σύστημα.
• Χωρίς ενέργεια Gibbs: Θερμοδυναμικό δυναμικό που χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της μέγιστης ποσότητας αναστρέψιμης εργασίας σε ένα σύστημα.
• Ειδική θερμοχωρητικότητα: Η ποσότητα θερμικής ενέργειας που απαιτείται για την αλλαγή της θερμοκρασίας μίας μάζας μιας ουσίας κατά 1 βαθμό. Εξαρτάται από τον τύπο της ουσίας και είναι ένας αριθμός που αναζητάται συνήθως σε πίνακες.
• Ιδανικό αέριο: Ένα απλοποιημένο μοντέλο αερίων που ισχύει για τα περισσότερα αέρια σε κανονική θερμοκρασία και πίεση. Τα ίδια τα μόρια αερίου υποτίθεται ότι συγκρούονται σε απόλυτα ελαστικές συγκρούσεις. Θεωρείται επίσης ότι τα μόρια είναι αρκετά μακριά μεταξύ τους ώστε να μπορούν να υποστούν επεξεργασία σαν μάζες σημείου.

Υπάρχουν τρία βασικά νόμοι της θερμοδυναμικής (ονομάζεται ο πρώτος νόμος, ο δεύτερος νόμος και ο τρίτος νόμος) αλλά υπάρχει επίσης ένας μηδενικός νόμος. Αυτοί οι νόμοι περιγράφονται ως εξής:

ο μηδενικός νόμος της θερμοδυναμικής είναι ίσως το πιο διαισθητικό. Αναφέρει ότι εάν η ουσία Α βρίσκεται σε θερμική ισορροπία με την ουσία Β και η ουσία Β βρίσκεται σε θερμική ισορροπία με την ουσία C, τότε προκύπτει ότι η ουσία Α πρέπει να βρίσκεται σε θερμική ισορροπία με ουσία Γ.

ο πρώτος νόμος θερμοδυναμικής είναι βασικά μια δήλωση του νόμου για τη διατήρηση της ενέργειας. Αναφέρει ότι η αλλαγή της εσωτερικής ενέργειας ενός συστήματος ισούται με τη διαφορά μεταξύ της θερμικής ενέργειας που μεταφέρεται στο σύστημα και της εργασίας που επιτελεί το σύστημα στο περιβάλλον του.

ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής, μερικές φορές αναφέρεται ως ο νόμος που υπονοεί ένα βέλος του χρόνου - δηλώνει ότι η συνολική εντροπία σε ένα κλειστό σύστημα μπορεί να παραμείνει σταθερή ή να αυξάνεται καθώς ο χρόνος προχωρά. Η εντροπία μπορεί να θεωρηθεί χαλαρά ως μέτρο της διαταραχής ενός συστήματος, και αυτός ο νόμος μπορεί να θεωρηθεί τόσο χαλαρά όσο δηλώνει ότι «τα πράγματα τείνουν να αναμειγνύονται όσο περισσότερο τα ανακινείτε, σε αντίθεση με απομίξη. "

ο τρίτος νόμος της θερμοδυναμικής δηλώνει ότι η εντροπία ενός συστήματος πλησιάζει μια σταθερή τιμή καθώς η θερμοκρασία ενός συστήματος πλησιάζει το απόλυτο μηδέν. Δεδομένου ότι στο απόλυτο μηδέν, δεν υπάρχει μοριακή κίνηση, έχει νόημα ότι η εντροπία δεν θα άλλαζε εκεί το σημείο.

Η θερμοδυναμική χρησιμοποιεί στατιστική μηχανική. Αυτός είναι ένας κλάδος της φυσικής που εφαρμόζει στατιστικά στοιχεία τόσο στην κλασική όσο και στην κβαντική φυσική.

Η στατιστική μηχανική επιτρέπει στους επιστήμονες να εργαστούν με μακροσκοπικές ποσότητες με πιο απλό τρόπο από ό, τι με μικροσκοπικές ποσότητες. Εξετάστε τη θερμοκρασία, για παράδειγμα. Ορίζεται ως η μέση κινητική ενέργεια ανά μόριο σε μια ουσία.

Τι γίνεται αν, αντίθετα, χρειάστηκε να προσδιορίσετε την πραγματική κινητική ενέργεια κάθε μορίου και περισσότερο από αυτό, να παρακολουθείτε κάθε σύγκρουση μεταξύ μορίων; Θα ήταν σχεδόν αδύνατο να προχωρήσουμε. Αντ 'αυτού, χρησιμοποιούνται στατιστικές τεχνικές που επιτρέπουν την κατανόηση της θερμοκρασίας, της θερμικής ικανότητας και ούτω καθεξής ως μεγαλύτερες ιδιότητες ενός υλικού.

Αυτές οι ιδιότητες περιγράφουν τη μέση συμπεριφορά που συμβαίνει μέσα στο υλικό. Το ίδιο ισχύει για ποσότητες όπως πίεση και εντροπία.

ΕΝΑ κινητήρας θερμότητας είναι ένα θερμοδυναμικό σύστημα που μετατρέπει τη θερμική ενέργεια σε μηχανική ενέργεια. Οι ατμομηχανές είναι ένα παράδειγμα κινητήρα θερμότητας. Λειτουργούν χρησιμοποιώντας υψηλή πίεση για να μετακινήσουν ένα έμβολο.

Οι θερμικοί κινητήρες λειτουργούν σε κάποιο πλήρες κύκλο. Έχουν κάποιο είδος πηγής θερμότητας, που συνήθως ονομάζεται θερμόλουτρο, που τους επιτρέπει να προσλαμβάνουν θερμική ενέργεια. Αυτή η θερμική ενέργεια προκαλεί στη συνέχεια κάποιο είδος θερμοδυναμικής αλλαγής μέσα στο σύστημα, όπως αύξηση της πίεσης ή επέκταση ενός αερίου.

Όταν ένα αέριο διαστέλλεται, λειτουργεί στο περιβάλλον. Μερικές φορές αυτό μοιάζει να προκαλεί ένα έμβολο να κινηθεί σε έναν κινητήρα. Στο τέλος ενός κύκλου, ένα δροσερό λουτρό χρησιμοποιείται για να επαναφέρει το σύστημα στο σημείο εκκίνησης.

Οι κινητήρες θερμότητας λαμβάνουν θερμική ενέργεια, τη χρησιμοποιούν για να κάνουν χρήσιμες εργασίες και στη συνέχεια επίσης εκπέμπουν ή χάνουν κάποια θερμική ενέργεια στο περιβάλλον κατά τη διάρκεια της διαδικασίας. ο αποδοτικότητα ενός κινητήρα θερμότητας ορίζεται ως ο λόγος της χρήσιμης εξόδου εργασίας προς την καθαρή είσοδο θερμότητας.

Δεν αποτελεί έκπληξη, οι επιστήμονες και οι μηχανικοί θέλουν οι θερμικοί κινητήρες τους να είναι όσο το δυνατόν πιο αποτελεσματικοί - μετατρέποντας τις μέγιστες ποσότητες θερμικής ενέργειας που εισάγονται σε χρήσιμη εργασία. Ίσως πιστεύετε ότι η πιο αποτελεσματική μηχανή θερμότητας θα μπορούσε να είναι 100% αποτελεσματική, αλλά αυτό είναι λανθασμένο.

Στην πραγματικότητα, υπάρχει ένα όριο στη μέγιστη απόδοση ενός κινητήρα θερμότητας. Όχι μόνο η απόδοση εξαρτάται από τον τύπο διαδικασίες στον κύκλο, ακόμη και όταν το καλύτερο δυνατό διαδικασίες (αυτά που είναι αναστρέψιμα) χρησιμοποιούνται, η πιο αποτελεσματική μηχανή θερμότητας μπορεί να εξαρτάται από τη σχετική διαφορά θερμοκρασιών μεταξύ του θερμαντικού λουτρού και του κρύου λουτρού.

Αυτή η μέγιστη απόδοση ονομάζεται απόδοση Carnot, και είναι η αποδοτικότητα του a Κύκλος Carnot, που είναι ένας κύκλος κινητήρα θερμότητας που αποτελείται από εντελώς αναστρέψιμο διαδικασίες.

Υπάρχουν πολλές εφαρμογές θερμοδυναμικής διαδικασίες στην καθημερινή ζωή. Πάρτε το ψυγείο σας, για παράδειγμα. Ένα ψυγείο λειτουργεί εκτός θερμοδυναμικού κύκλου.

Αρχικά ένας συμπιεστής συμπιέζει τους ατμούς ψυκτικού, ο οποίος προκαλεί αύξηση της πίεσης και τον ωθεί προς τα εμπρός σε πηνία που βρίσκονται στο εξωτερικό πίσω μέρος του ψυγείου σας. Εάν νιώσετε αυτά τα πηνία, θα νιώσετε ζεστά στην αφή.

Ο γύρω αέρας τους αναγκάζει να κρυώσουν και το καυτό αέριο μετατρέπεται σε υγρό. Αυτό το υγρό κρυώνει σε υψηλή πίεση καθώς ρέει σε πηνία μέσα στο ψυγείο, απορροφώντας θερμότητα και ψύξη του αέρα. Μόλις ζεσταθεί, εξατμίζεται ξανά σε αέριο και επιστρέφει στον συμπιεστή και ο κύκλος επαναλαμβάνεται.

Οι αντλίες θερμότητας, που μπορούν να θερμάνουν και να κρυώσουν το σπίτι σας, λειτουργούν με παρόμοιες αρχές.