Termodünaamika: definitsioon, seadused ja võrrandid

Paljude inimeste jaoks kõlab termodünaamika nagu mingi hirmutav füüsika haru, millest ainult targad inimesed aru saavad. Kuid mõningate põhiteadmiste ja vähese tööga saab igaüks selle õppesuuna mõtestada.

Termodünaamika on füüsika haru, mis uurib soojusenergia ülekandest tulenevaid toiminguid füüsikalistes süsteemides. Füüsikutel Sadi Carnotist Rudolf Clausiuseni ja James Clerk Maxwellist kuni Max Planckini on olnud kõik oma arengus oma käsi.

Sõna "termodünaamika" pärineb Kreeka juurtest termosed, mis tähendab kuuma või sooja ja dünamikos, mis tähendab võimsat, ehkki hilisemad juure tõlgendused omistavad sellele tegevuse ja liikumise tähenduse. Sisuliselt on termodünaamika liikuva soojusenergia uurimine.

Termodünaamika tegeleb sellega, kuidas soojusenergiat saab tekitada ja muundada erinevateks energiavormideks, näiteks mehaaniliseks energiaks. Samuti uuritakse füüsilise süsteemi korra ja korratuse mõistet ning erinevate protsesside energiatõhusust.

Termodünaamika põhjalik uurimine tugineb samuti suuresti

Probleem on aga selles, et on võimatu jälgida ja arvestada iga molekuli individuaalset tegevust, seetõttu kasutatakse selle asemel statistilisi meetodeid ja väga täpselt.

Mõned termodünaamikaga seotud põhitööd töötati välja juba 1600. aastatel. Robert Boyle'i väljatöötatud Boyle'i seadus määras kindlaks rõhu ja mahu suhte, mis viis lõpuks Charlesi seaduse ja Gay-Lussaci seadusega koos ideaalse gaasiseaduseni.

Alles 1798. aastal mõistis krahv Rumford (teise nimega Sir Benjamin Thompson) kuumust energia vormina. Ta täheldas, et tekkiv soojus oli võrdeline igava tööriista treimisel tehtud tööga.

1800. aastate alguses tegi Prantsuse sõjaväeinsener Sadi Carnot aastal märkimisväärset tööd soojusmootori tsükli kontseptsiooni ja pööratavuse idee arendamine termodünaamikas protsess. (Mõned protsessid toimivad ajas sama hästi tagasi kui ajas edasi; neid protsesse nimetatakse pöörduvateks. Paljud muud protsessid toimivad ainult ühes suunas.)

Carnoti töö viis aurumasina väljatöötamiseni.

Hiljem sõnastas Rudolf Clausius termodünaamika esimese ja teise seaduse, mida kirjeldatakse edaspidi selles artiklis. Termodünaamika valdkond arenes 1800ndatel kiiresti, kui insenerid töötasid aurumasinate efektiivsemaks muutmise nimel.

Termodünaamilised omadused ja kogused hõlmavad järgmist:

• Kuumus, mis on erinevatel temperatuuridel objektide vahel ülekantav energia.
• Temperatuur, mis on aine keskmise kineetilise energia näitaja molekuli kohta.
• Sisemine energia, mis on molekulide kineetilise energia ja potentsiaalse energia summa molekulisüsteemis.
• Rõhk, mis on aine mahutava konteineri jõu mõõt pindalaühiku kohta.
• Köide on kolmemõõtmeline ruum, mille aine võtab.
• Mikrostatiivid on olekud, milles üksikud molekulid on.
• Makrostaadid on suuremad olekud, milles molekulide kogud asuvad.
• Entroopia on aine häire näitaja. See on matemaatiliselt määratletud mikroseisude või sellega samaväärselt ka soojuse ja temperatuuri muutuste järgi.

Termodünaamika uurimisel kasutatakse palju erinevaid teaduslikke termineid. Enda uurimise lihtsustamiseks on siin üldkasutatavate mõistete määratluste loend:

• Termiline tasakaal või termodünaamiline tasakaal: Olek, kus suletud süsteemi kõik osad on samal temperatuuril.
• Absoluutne null kelvini: Kelvin on temperatuuri SI ühik. Selle skaala madalaim väärtus on null või absoluutne null. See on võimalikult külm temperatuur.
• Termodünaamiline süsteem: Iga suletud süsteem, mis sisaldab soojusenergia vastastikmõjusid ja vahetusi.
• Isoleeritud süsteem: Süsteem, mis ei saa energiat vahetada millegagi väljaspool seda.
• Soojusenergia või soojusenergia: Energia vorme on palju; nende hulgas on soojusenergia, mis on energia, mis on seotud molekulide kineetilise liikumisega süsteemis.
• Gibbsi vaba energia: Termodünaamiline potentsiaal, mida kasutatakse pöörduva töö maksimaalse hulga määramiseks süsteemis.
• Spetsiifiline soojusvõimsus: Soojusenergia hulk, mis on vajalik aine massiühiku temperatuuri muutmiseks 1 kraadi võrra. See sõltub aine tüübist ja on tavaliselt tabelitest otsitav arv.
• Ideaalne gaas: Gaaside lihtsustatud mudel, mis kehtib enamiku gaaside jaoks tavalisel temperatuuril ja rõhul. Eeldatakse, et gaasimolekulid põrkavad kokku täiesti elastsete kokkupõrgetega. Samuti eeldatakse, et molekulid on üksteisest piisavalt kaugel, et neid saaks käsitleda nagu punktmasse.

Neid on kolm peamist termodünaamika seadused (nimetatakse esimeseks seaduseks, teiseks seaduseks ja kolmandaks seaduseks), kuid on olemas ka nullist seadus. Neid seadusi kirjeldatakse järgmiselt:

The termodünaamika nullist seadus on ilmselt kõige intuitiivsem. Selles öeldakse, et kui aine A on termilise tasakaalus ainega B ja aine B on termiline tasakaal ainega C, siis järeldub, et aine A peab olema termilises tasakaalus aine C.

The esimene termodünaamika seadus on põhimõtteliselt energia jäävuse seaduse avaldus. Selles öeldakse, et süsteemi siseenergia muutus võrdub süsteemi ülekantava soojusenergia ja süsteemi ümbruses tehtud töö erinevusega.

The termodünaamika teine ​​seadus, mida mõnikord nimetatakse seaduseks, mis viitab aja noolele - väidab, et kogu entroopia suletud süsteemis võib püsida konstantsena või suureneda ainult aja edasi liikudes. Entroopiat võib vabalt mõelda kui süsteemi häirete mõõdikut ja seda seadust võib mõelda kui öelda, et „asjad kipuvad segunema, seda rohkem sa neid raputad, vastupidiselt sellele segamata. ”

The termodünaamika kolmas seadus väidab, et süsteemi entroopia läheneb konstantsele väärtusele, kui süsteemi temperatuur läheneb absoluutsele nullile. Kuna absoluutsel nullil pole molekulaarset liikumist, on mõttekas, et entroopia selles punktis ei muutuks.

Termodünaamika kasutab statistilist mehaanikat. See on füüsika haru, mis rakendab statistikat nii klassikalises kui ka kvantfüüsikas.

Statistiline mehaanika võimaldab teadlastel makroskoopiliste suurustega töötada sirgjoonelisemalt kui mikroskoopiliste suurustega. Mõelge näiteks temperatuurile. See on määratletud kui keskmine kineetiline energia molekulis ühe aine kohta.

Mis oleks, kui peaksite selle asemel määrama iga molekuli tegeliku kineetilise energia ja lisaks sellele jälgima iga molekuli omavahelist kokkupõrget? Oleks peaaegu võimatu edasi liikuda. Selle asemel kasutatakse statistilisi tehnikaid, mis võimaldavad mõista materjali suuremaid omadusi temperatuurist, soojusvõimsusest ja muust.

Need omadused kirjeldavad materjali käitumist keskmiselt. Sama kehtib ka selliste koguste kohta nagu rõhk ja entroopia.

A soojusmootor on termodünaamiline süsteem, mis muudab soojusenergia mehaaniliseks energiaks. Aurumootorid on näide soojusmasinast. Nad töötavad kolvi liigutamiseks kõrgsurve abil.

Soojusmootorid töötavad mingis terves tsüklis. Neil on mingi soojusallikas, mida tavaliselt nimetatakse soojavanniks, mis võimaldab neil soojusenergiat vastu võtta. See soojusenergia põhjustab siis süsteemis mingisuguseid termodünaamilisi muutusi, näiteks rõhu suurendamine või gaasi laiendamine.

Kui gaas paisub, töötab see keskkonnale. Mõnikord näeb see välja nagu kolvi mootoris liikumise põhjustamine. Tsükli lõpus kasutatakse jahedat vanni, et viia süsteem tagasi alguspunkti.

Soojusmootorid võtavad soojusenergiat sisse, kasutavad seda kasuliku töö tegemiseks ning annavad seejärel protsessi käigus keskkonnale ka osa soojusenergiat või kaotavad selle. The tõhusus Soojusmootori võimsus on määratletud kui kasuliku töö väljundvõimsuse ja netosoojuse suhe.

Pole üllatav, et teadlased ja insenerid soovivad, et nende soojusmootorid oleksid võimalikult tõhusad - muundades maksimaalselt sisestatud soojusenergia kogused kasulikuks tööks. Võite arvata, et kõige tõhusam soojusmootor võiks olla 100 protsenti efektiivne, kuid see on vale.

Tegelikult on soojusmootori maksimaalse efektiivsuse piir. Efektiivsus sõltub mitte ainult selle tüübist protsessid tsüklis, isegi kui see on parim võimalik protsessid (neid, mis on pöörduvad) kasutatakse, sõltub kõige tõhusam soojusmootor sõltuvalt soojusvannis ja jahedas vannis olevate temperatuuride suhtelisest erinevusest.

Seda maksimaalset efektiivsust nimetatakse Carnoti efektiivsuseks ja see on a efektiivsus Carnot tsükkel, mis on soojusmootori tsükkel, mis koosneb täielikult pööratavast protsessid.

Termodünaamika rakendusi on palju protsessid igapäevaelus nähtud. Võtke näiteks oma külmkapp. Külmkapp töötab termodünaamiliselt välja.

Kõigepealt surub kompressor külmutusagensi auru kokku, mis põhjustab rõhu tõusu ja surub selle edasi külmiku välisküljel asuvatesse mähistesse. Kui tunnete neid mähiseid, tunnevad nad puudutades sooja.

Ümbritsev õhk põhjustab nende jahtumise ja kuum gaas muutub uuesti vedelaks. See vedelik jahtub kõrgel rõhul, kui see voolab külmiku sees olevatesse mähistesse, absorbeerides soojust ja jahutades õhku. Kui see on piisavalt kuum, aurustub see uuesti gaasiks ja läheb tagasi kompressorisse ning tsükkel kordub.

Soojuspumbad, mis võivad teie maja kütta ja jahutada, töötavad sarnastel põhimõtetel.