Termodynamiikka: Määritelmä, lait ja yhtälöt

Monille ihmisille termodynamiikka kuulostaa pelottavalta fysiikan haaralta, jota vain älykkäät ihmiset voivat ymmärtää. Mutta jolla on jonkin verran perustietoa ja vähän työtä, kuka tahansa voi ymmärtää tämän tutkimusalueen.

Termodynamiikka on fysiikan osa, joka tutkii fyysisten järjestelmien toimintoja lämpöenergian siirron vuoksi. Fyysikoilla Sadi Carnotista Rudolf Clausiuseen ja James Clerk Maxwellista Max Planckiin on kaikilla ollut käsi sen kehittämisessä.

Sana "termodynamiikka" tulee kreikan juurista termospulloeli kuuma tai lämmin, ja dynamikos, mikä tarkoittaa voimakasta, vaikka juuren myöhemmät tulkinnat omistavat sille toiminnan ja liikkeen merkityksen. Pohjimmiltaan termodynamiikka on tutkimus lämpöenergiasta liikkeessä.

Termodynamiikka käsittelee sitä, kuinka lämpöenergiaa voidaan tuottaa ja muuttaa eri energiamuotoiksi, kuten mekaaniseksi energiaksi. Siinä tutkitaan myös fyysisten järjestelmien järjestyksen ja häiriön käsitettä sekä eri prosessien energiatehokkuutta.

Termodynamiikan syvä tutkimus perustuu myös voimakkaasti tilastomekaniikka kineettisen teorian ja niin edelleen ymmärtämiseksi. Perusajatuksena on, että termodynaamiset prosessit voidaan ymmärtää sen mukaan, mitä kaikki järjestelmän pienet molekyylit tekevät.

Ongelmana on kuitenkin se, että on mahdotonta tarkkailla ja ottaa huomioon kunkin molekyylin yksittäistä toimintaa, joten tilastollisia menetelmiä käytetään sen sijaan ja hyvin tarkasti.

Jotkut termodynamiikkaan liittyvät perustyöt kehitettiin jo 1600-luvulla. Robert Boylen kehittämä Boylen laki määritteli paineen ja tilavuuden suhteen, mikä lopulta johti ihanteelliseen kaasulakiin yhdistettynä Charlesin ja Gay-Lussacin lakiin.

Vasta vuonna 1798 kreivi Rumford (alias Sir Benjamin Thompson) ymmärsi lämmön energiamuotona. Hän havaitsi, että syntyvä lämpö oli verrannollinen tylsän työkalun kääntämiseen tehtyyn työhön.

1800-luvun alussa ranskalainen sotilasinsinööri Sadi Carnot teki huomattavan paljon työtä vuonna kehitetään lämpökoneiden syklin konsepti sekä ajatus käännettävyydestä termodynaamisessa muodossa prosessi. (Jotkut prosessit toimivat yhtä hyvin taaksepäin kuin eteenpäin ajassa; näitä prosesseja kutsutaan palautuviksi. Monet muut prosessit toimivat vain yhteen suuntaan.)

Carnotin työ johti höyrykoneen kehittämiseen.

Myöhemmin Rudolf Clausius muotoili ensimmäisen ja toisen termodynamiikan lain, jotka kuvataan myöhemmin tässä artikkelissa. Termodynamiikan ala kehittyi nopeasti 1800-luvulla insinöörien pyrkiessä tekemään höyrykoneista tehokkaampia.

Termodynaamiset ominaisuudet ja määrät sisältävät seuraavat:

• Lämpö, joka on siirtynyt energia eri kohteiden välillä eri lämpötiloissa.
• Lämpötila, joka on aineen keskimääräisen kineettisen energian mitta molekyyliä kohti.
• Sisäinen energia, joka on molekyylikineettisen energian ja potentiaalienergian summa molekyylijärjestelmässä.
• Paine, joka mittaa ainetta sisältävän säiliön voimaa pinta-alayksikköä kohti.
• Äänenvoimakkuus on kolmiulotteinen tila, jonka aine vie.
• Mikrotilat ovat tiloja, joissa yksittäiset molekyylit ovat.
• Makrostaatit ovat suurempia tiloja, joissa molekyylikokoelmat ovat.
• Haje on aineen häiriön mitta. Se on matemaattisesti määritelty mikrotiloissa tai vastaavasti lämmön ja lämpötilan muutoksina.

Termodynamiikan tutkimuksessa käytetään monia erilaisia ​​tieteellisiä termejä. Oman tutkimuksen yksinkertaistamiseksi tässä on luettelo yleisesti käytettyjen termien määritelmistä:

• Terminen tasapaino tai termodynaaminen tasapaino: Tila, jossa kaikki suljetun järjestelmän osat ovat samassa lämpötilassa.
• Absoluuttinen nolla Kelvin: Kelvin on lämpötilan SI-yksikkö. Tämän asteikon pienin arvo on nolla tai absoluuttinen nolla. Se on kylmin mahdollinen lämpötila.
• Termodynaaminen järjestelmä: Mikä tahansa suljettu järjestelmä, joka sisältää vuorovaikutusta ja lämpöenergian vaihtoa.
• Eristetty järjestelmä: Järjestelmä, joka ei voi vaihtaa energiaa millään sen ulkopuolella.
• Lämpöenergia tai lämpöenergia: On olemassa monia erilaisia ​​energiamuotoja; niiden joukossa on lämpöenergia, joka on energia, joka liittyy molekyylien kineettiseen liikkeeseen järjestelmässä.
• Gibbsin vapaa energia: Termodynaaminen potentiaali, jota käytetään palautuvan työn enimmäismäärän määrittämiseen järjestelmässä.
• Ominaislämpökapasiteetti: Lämpöenergian määrä, joka tarvitaan aineen massayksikön lämpötilan muuttamiseen 1 astetta. Se riippuu aineen tyypistä ja on yleensä taulukoista etsittävä luku.
• Ihanteellinen kaasu: Yksinkertaistettu kaasumalli, jota sovelletaan useimpiin kaasuihin vakiolämpötilassa ja -paineessa. Itse kaasumolekyylien oletetaan törmäävän täysin joustaviin törmäyksiin. Oletetaan myös, että molekyylit ovat riittävän kaukana toisistaan, jotta niitä voidaan käsitellä kuin pistemassoja.

Niitä on kolme termodynamiikan lait (jota kutsutaan ensimmäiseksi, toiseksi ja kolmanneksi laiksi), mutta on myös nolla laki. Nämä lait kuvataan seuraavasti:

termodynamiikan nolla laki on luultavasti intuitiivisin. Siinä todetaan, että jos aine A on termisessä tasapainossa aineen B kanssa ja aine B on terminen tasapainossa aineen C kanssa, tästä seuraa, että aineen A on oltava termisessä tasapainossa aine C.

ensimmäinen termodynamiikan laki on pohjimmiltaan lausunto energiansäästölaista. Siinä todetaan, että järjestelmän sisäisen energian muutos on yhtä suuri kuin järjestelmään siirretyn lämpöenergian ja järjestelmän ympäristössä tekemän työn välinen ero.

termodynamiikan toinen laki, jota joskus kutsutaan laiksi, joka viittaa ajan nuoleen - todetaan, että sulautuneen järjestelmän kokonais entropia voi pysyä vakiona tai kasvaa vain ajan myötä. Entropiaa voidaan ajatella löyhästi järjestelmän häiriön mittana, ja tätä lakia voidaan ajatella sanomalla, että "asiat yleensä sekoittuvat toisiinsa, sitä enemmän ravistat niitä toisin kuin sekoittamatta. "

kolmas termodynamiikan laki toteaa, että järjestelmän entropia lähestyy vakioarvoa, kun järjestelmän lämpötila lähestyy absoluuttista nollaa. Koska absoluuttisella nollalla ei ole molekyyliliikettä, on järkevää, että entropia ei muutu siinä vaiheessa.

Termodynamiikassa hyödynnetään tilastollista mekaniikkaa. Tämä on fysiikan osa, joka soveltaa tilastoja sekä klassiseen että kvanttifysiikkaan.

Tilastomekaniikan avulla tutkijat voivat työskennellä makroskooppisten määrien kanssa suoraviivaisemmin kuin mikroskooppisten määrien kanssa. Harkitse esimerkiksi lämpötilaa. Se määritellään aineen keskimääräiseksi kineettiseksi energiaksi molekyyliä kohti.

Entä jos joudut sen sijaan määrittämään kunkin molekyylin todellisen kineettisen energian ja pidemmälle, seuraamaan jokaista molekyylien välistä törmäystä? Olisi melkein mahdotonta edetä. Sen sijaan käytetään tilastollisia tekniikoita, jotka mahdollistavat lämpötilan, lämpökapasiteetin ja niin edelleen ymmärtämisen materiaalin suurempina ominaisuuksina.

Nämä ominaisuudet kuvaavat materiaalissa tapahtuvaa keskimääräistä käyttäytymistä. Sama koskee paineita ja entropiaa.

A lämpömoottori on termodynaaminen järjestelmä, joka muuntaa lämpöenergian mekaaniseksi energiaksi. Höyrykoneet ovat esimerkki lämpökoneesta. Ne työskentelevät männän liikuttamiseksi korkealla paineella.

Lämpömoottorit toimivat jonkinlaisella koko syklillä. Heillä on jonkinlainen lämmönlähde, jota yleensä kutsutaan lämpökylvyksi, joka antaa heille mahdollisuuden ottaa lämpöenergiaa. Tuo lämpöenergia aiheuttaa sitten jonkinlaisen termodynaamisen muutoksen järjestelmässä, kuten paineen lisäämisen tai kaasun laajenemisen.

Kun kaasu laajenee, se vaikuttaa ympäristöön. Joskus tämä näyttää aiheuttavan männän liikkumisen moottorissa. Syklin lopussa käytetään viileää kylpyä järjestelmän palauttamiseksi aloituspisteeseen.

Lämpömoottorit ottavat lämpöenergian käyttöön, käyttävät sitä hyödylliseen työhön ja sitten myös luovuttavat tai menettävät osan lämpöenergiaa ympäristölle prosessin aikana. tehokkuus lämpömoottorin hyötysuhde määritellään hyötysuhteen ja nettolämmöntuoton suhteena.

Ei ole yllättävää, että tutkijat ja insinöörit haluavat lämpömoottoreiden olevan mahdollisimman tehokkaita - muuntamalla lämpöenergian enimmäismäärät hyödylliseksi työksi. Saatat ajatella, että tehokkain lämpömoottori voisi olla 100 prosenttia, mutta tämä on väärin.

Itse asiassa lämpömoottorin maksimitehokkuudelle on raja. Tehokkuus ei riipu pelkästään tyypistä prosessit syklissä, vaikka paras mahdollinen prosessit (sellaisia, jotka ovat palautuvia) käytetään, tehokkain lämpömoottori voi olla, riippuu lämpökylvyn ja viileän kylvyn suhteellisesta lämpötilaerosta.

Tätä maksimitehokkuutta kutsutaan Carnot-hyötysuhteeksi, ja se on a: n hyötysuhde Carnot-sykli, joka on lämpökoneen sykli, joka koostuu täysin palautuvasta prosessit.

Termodynamiikkaa on monia sovelluksia prosessit nähty jokapäiväisessä elämässä. Ota esimerkiksi jääkaappi. Jääkaappi toimii termodynaamisen jakson ulkopuolella.

Ensin kompressori puristaa kylmäainehöyryä, mikä aiheuttaa paineen nousun ja työntää sen eteenpäin keloihin, jotka sijaitsevat jääkaapin ulkopuolella. Jos tunnet nämä kelat, ne tuntuvat kosketukseltaan lämpimiltä.

Ympäröivä ilma saa ne jäähtymään, ja kuuma kaasu muuttuu takaisin nesteeksi. Tämä neste jäähtyy korkeassa paineessa, kun se virtaa keloihin jääkaapin sisällä, absorboimalla lämpöä ja jäähdyttäen ilmaa. Kun se on tarpeeksi kuuma, se haihtuu jälleen kaasuksi ja palaa takaisin kompressoriin, ja sykli toistuu.

Lämpöpumput, jotka voivat lämmittää ja jäähdyttää talosi, toimivat samoilla periaatteilla.