Termodinamika: definicija, zakoni i jednadžbe

Za mnoge ljude termodinamika zvuči kao neka zastrašujuća grana fizike koju samo pametni ljudi mogu razumjeti. Ali s nekim temeljnim znanjem i malo rada, svatko može razumjeti ovo područje studija.

Termodinamika je grana fizike koja istražuje zbivanja u fizičkim sustavima uslijed prijenosa toplinske energije. Fizičari od Sadija Carnota do Rudolfa Clausiusa i Jamesa činovnika Maxwella do Maxa Plancka svi su imali svoj doprinos u njegovom razvoju.

Riječ "termodinamika" dolazi od grčkih korijena termos, što znači vruće ili toplo, i dynamikos, što znači snažno, premda mu kasnija tumačenja korijena pripisuju značenje radnje i pokreta. U osnovi je termodinamika proučavanje toplinske energije u pokretu.

Termodinamika se bavi načinom na koji se toplinska energija može generirati i transformirati u različite oblike energije poput mehaničke energije. Također istražuje pojam reda i nereda u fizičkim sustavima, kao i energetsku učinkovitost različitih procesa.

Duboko proučavanje termodinamike također se uvelike oslanja

Problem je, međutim, što je nemoguće promatrati i objasniti pojedinačno djelovanje svake molekule, pa se umjesto toga primjenjuju statističke metode i s velikom točnošću.

Neki temeljni radovi povezani s termodinamikom razvijeni su već u 1600-ima. Boyleov zakon, koji je razvio Robert Boyle, odredio je odnos između tlaka i volumena, što je na kraju dovelo do zakona o idealnom plinu u kombinaciji s Charlesovim zakonom i Gay-Lussacovim zakonom.

Tek 1798. godine grof Rumford (zvani Sir Benjamin Thompson) toplinu je shvatio kao oblik energije. Primijetio je da je proizvedena toplina proporcionalna poslu obavljenom na okretanju dosadnog alata.

Početkom 1800-ih francuski vojni inženjer Sadi Carnot obavio je znatan posao u razvijanje koncepta ciklusa toplinskih strojeva, kao i ideje o reverzibilnosti u termodinamičkoj postupak. (Neki procesi djeluju jednako dobro unatrag u vremenu kao i unaprijed u vremenu; ti se procesi nazivaju reverzibilnima. Mnogi drugi procesi djeluju samo u jednom smjeru.)

Carnotov je rad doveo do razvoja parnog stroja.

Kasnije je Rudolf Clausius formulirao prvi i drugi zakon termodinamike, koji su opisani kasnije u ovom članku. Područje termodinamike brzo se razvijalo u 1800-ima, dok su inženjeri radili na tome da parne strojeve učine učinkovitijima.

Termodinamička svojstva i količine uključuju sljedeće:

• Toplina, koji je energija koja se prenosi između predmeta na različitim temperaturama.
• Temperatura, što je mjera prosječne kinetičke energije po molekuli u tvari.
• Unutarnja energija, što je zbroj molekularne kinetičke energije i potencijalne energije u sustavu molekula.
• Pritisak, što je mjera sile po jedinici površine na spremniku u kojem se nalazi tvar.
• Volumen je trodimenzionalni prostor koji tvar zauzima.
• Mikrostanje su stanja u kojima se nalaze pojedine molekule.
• Makrostati su veća stanja u kojima se nalaze zbirke molekula.
• Entropija je mjera poremećaja u tvari. Matematički je definiran u smislu mikrostana, ili ekvivalentno tome, u smislu promjena topline i temperature.

Mnogo različitih znanstvenih izraza koristi se u proučavanju termodinamike. Kako bismo pojednostavili vlastite istrage, evo popisa definicija uobičajenih pojmova:

• Toplinska ravnoteža ili termodinamička ravnoteža: Stanje u kojem su svi dijelovi zatvorenog sustava na istoj temperaturi.
• Apsolutna nula Kelvina: Kelvin je SI jedinica za temperaturu. Najniža vrijednost na ovoj ljestvici je nula ili apsolutna nula. To je najhladnija moguća temperatura.
• Termodinamički sustav: Bilo koji zatvoreni sustav koji sadrži interakcije i izmjene toplinske energije.
• Izolirani sustav: Sustav koji ne može razmjenjivati ​​energiju ni s čim izvan sebe.
• Toplinska ili toplinska energija: Postoji mnogo različitih oblika energije; među njima je toplinska energija, koja je energija povezana s kinetičkim kretanjem molekula u sustavu.
• Gibbsova besplatna energija: Termodinamički potencijal koji se koristi za određivanje maksimalne količine reverzibilnog rada u sustavu.
• Specifični toplinski kapacitet: Količina toplinske energije potrebna za promjenu temperature jedinične mase tvari za 1 stupanj. Ovisi o vrsti tvari i broj je koji se obično traži u tablicama.
• Idealan plin: Pojednostavljeni model plinova koji se odnosi na većinu plinova pri standardnoj temperaturi i tlaku. Pretpostavlja se da se same molekule plina sudaraju u savršeno elastičnim sudarima. Također se pretpostavlja da su molekule dovoljno udaljene jedna od druge da se mogu tretirati kao točkaste mase.

Tri su glavna zakoni termodinamike (naziva se prvi zakon, drugi zakon i treći zakon), ali postoji i nulti zakon. Ti zakoni su opisani na sljedeći način:

The nulti zakon termodinamike je vjerojatno najintuitivniji. Navodi se da ako je supstanca A u toplinskoj ravnoteži sa supstancom B, a tvar B u toplinskoj ravnoteže sa supstancom C, tada proizlazi da tvar A mora biti u toplinskoj ravnoteži sa tvar C.

The prvi zakon termodinamike je u osnovi izjava zakona o očuvanju energije. U njemu se navodi da je promjena unutarnje energije sustava jednaka razlici između toplinske energije prenesene u sustav i rada sustava na njegovoj okolini.

The drugi zakon termodinamike, koji se ponekad naziva zakonom koji podrazumijeva strelicu vremena - navodi da ukupna entropija u zatvorenom sustavu može ostati samo konstantna ili se povećavati kako vrijeme prolazi prema naprijed. Na entropiju se može slobodno gledati kao na mjeru poremećaja sustava, a može se razmišljati i o ovom zakonu labavo kao što je izjava da se "stvari imaju tendenciju da se miješaju što ih više uzdrmate, za razliku od njih miješanje. "

The treći zakon termodinamike navodi da se entropija sustava približava konstantnoj vrijednosti kako se temperatura sustava približava apsolutnoj nuli. Budući da na apsolutnoj nuli nema molekularnog gibanja, logično je da se entropija u tom trenutku ne bi promijenila.

Termodinamika koristi statističku mehaniku. Ovo je grana fizike koja primjenjuje statistiku i na klasičnu i na kvantnu fiziku.

Statistička mehanika omogućuje znanstvenicima jednostavniji rad s makroskopskim veličinama nego s mikroskopskim veličinama. Uzmite na primjer temperaturu. Definira se kao prosječna kinetička energija po molekuli u tvari.

Što ako umjesto toga trebate odrediti stvarnu kinetičku energiju svake molekule, i više od toga, pratiti svaki sudar između molekula? Bilo bi gotovo nemoguće napraviti bilo kakav pomak. Umjesto toga, koriste se statističke tehnike koje omogućuju razumijevanje temperature, toplinskog kapaciteta i tako dalje kao većih svojstava materijala.

Ova svojstva opisuju prosječno ponašanje unutar materijala. Isto vrijedi i za veličine poput tlaka i entropije.

A toplotna mašina je termodinamički sustav koji pretvara toplinsku energiju u mehaničku. Parni motori su primjer toplinskog stroja. Djeluju pomoću visokog pritiska za pomicanje klipa.

Toplinski motori rade na nekakav cjelovit ciklus. Imaju nekakav izvor topline, koji se obično naziva toplinska kupka, koji im omogućuje da uzimaju toplinsku energiju. Ta toplinska energija tada uzrokuje nekakvu termodinamičku promjenu unutar sustava, poput povećanja tlaka ili širenja plina.

Kada se plin proširi, on djeluje na okoliš. Ponekad to izgleda kao da uzrokuje pomicanje klipa u motoru. Na kraju ciklusa koristi se hladna kupka za vraćanje sustava na početnu točku.

Toplinski motori uzimaju toplinsku energiju, koriste je za obavljanje korisnih poslova, a zatim tijekom procesa odaju ili gube dio toplinske energije u okoliš. The učinkovitost toplinskog stroja definira se kao omjer korisne radne snage i neto uložene topline.

Nije iznenađujuće što znanstvenici i inženjeri žele da njihovi toplinski strojevi budu što učinkovitiji - pretvarajući maksimalne količine uložene toplinske energije u koristan rad. Možda mislite da bi najučinkovitiji toplinski stroj mogao biti 100 posto učinkovit, ali to je netočno.

Zapravo postoji ograničenje maksimalne učinkovitosti toplinskog stroja. Ne samo da učinkovitost ovisi o vrsti procesi u ciklusu, čak i kad je najbolje moguće procesi (oni koji su reverzibilni), najučinkovitiji toplinski stroj može biti ovisi o relativnoj razlici temperatura između toplinske i hladne kupke.

Ova maksimalna učinkovitost naziva se Carnotova učinkovitost, a to je učinkovitost a Carnotov ciklus, koji je ciklus toplinskog stroja koji se sastoji od potpuno reverzibilnog procesi.

Postoje mnoge primjene termodinamike za procesi viđen u svakodnevnom životu. Uzmite na primjer svoj hladnjak. Hladnjak djeluje iz termodinamičkog ciklusa.

Prvo kompresor komprimira pare rashladnog sredstva, što uzrokuje porast tlaka i gura ga naprijed u zavojnice smještene na vanjskoj stražnjoj strani hladnjaka. Ako osjetite ove zavojnice, osjećat će se toplo na dodir.

Okolni zrak uzrokuje da se ohlade, a vrući plin ponovno se pretvara u tekućinu. Ova se tekućina hladi pod visokim tlakom dok teče u zavojnice unutar hladnjaka, upijajući toplinu i hladeći zrak. Jednom kad je dovoljno vruć, ponovno isparava u plin i vraća se natrag u kompresor, a ciklus se ponavlja.

Toplinske pumpe, koje mogu zagrijati i rashladiti vašu kuću, rade na sličnim principima.