Termodinamika: Definíció, törvények és egyenletek

Sok ember számára a termodinamika úgy hangzik, mint a fizika valami félelmetes ága, amelyet csak az okos emberek érthetnek meg. De némi alapismerettel és egy kis munkával bárki megértheti ezt a tanulmányi területet.

A termodinamika a fizika olyan ága, amely a fizikai rendszerek hőenergia-átadásának következményeit vizsgálja. A fizikusok Sadi Carnot-tól Rudolf Clausiusig, James Clerk Maxwell-től Max Planckig mindannyian kézben voltak a fejlődésében.

A "termodinamika" szó a görög gyökerekből származik termosz, jelentése meleg vagy meleg, és dynamikos, vagyis erőteljes, bár a gyök későbbi értelmezése a cselekvés és a mozgás jelentését tulajdonítja neki. Lényegében a termodinamika a mozgásban lévő hőenergia vizsgálata.

A termodinamika azzal foglalkozik, hogyan lehet a hőenergiát előállítani és átalakítani különböző energiaformákká, például mechanikai energiává. Megvizsgálja a fizikai rendszerek rendjének és rendezetlenségének fogalmát, valamint a különböző folyamatok energiahatékonyságát.

A termodinamika mély tanulmányozása szintén nagyban támaszkodik erre statisztikai mechanika a kinetikus elmélet és így tovább megértése érdekében. Az alapgondolat az, hogy a termodinamikai folyamatokat úgy lehet megérteni, hogy a rendszer összes kis molekulája mit csinál.

A probléma azonban az, hogy lehetetlen megfigyelni és elszámolni az egyes molekulák egyedi működését, ezért statisztikai módszereket alkalmaznak helyettük, és nagy pontossággal.

Néhány, a termodinamikával kapcsolatos alapművet már az 1600-as években kidolgoztak. A Boyle törvénye, amelyet Robert Boyle dolgozott ki, meghatározta a nyomás és a térfogat viszonyát, amely végül Charles törvényével és Gay-Lussac törvényével együtt ideális gáztörvényhez vezetett.

Csak 1798-ban értette a hőt az energia egyik formájaként gróf Rumford (más néven Sir Benjamin Thompson). Megfigyelte, hogy a keletkező hő arányos az unalmas eszköz forgatásakor végzett munkával.

Az 1800-as évek elején Sadi Carnot francia hadmérnök jelentős munkát végzett a hőmotor-ciklus koncepciójának, valamint a reverzibilitás gondolatának kidolgozása egy termodinamikában folyamat. (Egyes folyamatok ugyanúgy működnek visszafelé az időben, mint előre az időben; ezeket a folyamatokat reverzibilisnek nevezzük. Sok más folyamat csak egy irányban működik.)

Carnot munkája a gőzgép fejlesztéséhez vezetett.

Később Rudolf Clausius megfogalmazta a termodinamika első és második törvényét, amelyeket a cikk később ismertet. A termodinamika területe az 1800-as években gyorsan fejlődött, miközben a mérnökök azon dolgoztak, hogy hatékonyabbá tegyék a gőzgépeket.

A termodinamikai tulajdonságok és mennyiségek a következőket tartalmazzák:

• Hő, amely a különböző hőmérsékletű tárgyak között átvitt energia.
• Hőfok, amely az anyag molekulánként mért átlagos kinetikus energiájának mértéke.
• Belső energia, amely a molekuláris kinetikus energia és a potenciális energia összege egy molekularendszerben.
• Nyomás, amely az anyagot befogadó tartály területe egységnyi erejének mértéke.
• Hangerő az a háromdimenziós tér, amelyet egy anyag felvesz.
• Mikrostátumok azok az állapotok, amelyekben az egyes molekulák vannak.
• Macrostates a nagyobb állapotok, amelyekben a molekulagyűjtemények vannak.
• Entrópia az anyag rendellenességének mértéke. Matematikailag a mikroállapotok, vagy ezzel egyenértékűen a hő és a hőmérséklet változásai szerint határozható meg.

A termodinamika tanulmányozása során számos különféle tudományos kifejezést használnak. A saját vizsgálatok egyszerűsítése érdekében az alábbiakban felsoroljuk a gyakran használt kifejezések definícióit:

• Termikus egyensúly vagy termodinamikai egyensúly: Olyan állapot, amelyben a zárt rendszer minden része azonos hőmérsékleten van.
• Abszolút nulla Kelvin: A Kelvin a hőmérséklet SI mértékegysége. A skála legalacsonyabb értéke nulla vagy abszolút nulla. Ez a lehető leghidegebb hőmérséklet.
• Termodinamikai rendszer: Bármely zárt rendszer, amely kölcsönhatásokat és hőenergia-cseréket tartalmaz.
• Elkülönített rendszer: Olyan rendszer, amely nem tud energiát cserélni rajta kívüli semmivel.
• Hőenergia vagy hőenergia: Az energia sokféle formája létezik; köztük a hőenergia, amely a molekulák kinetikus mozgásával társított energia egy rendszerben.
• Gibbs szabad energia: Termodinamikai potenciál, amely a megfordítható munka maximális mennyiségének meghatározására szolgál a rendszerben.
• Fajlagos hőteljesítmény: Az az anyagmennyiség, amely szükséges az anyag egységnyi tömegének hőmérsékletének 1 fokkal történő megváltoztatásához. Ez az anyag típusától függ, és ez egy szám, amelyet általában a táblázatokban keresnek meg.
• Ideális gáz: A gázok egyszerűsített modellje, amely a legtöbb gázra vonatkozik standard hőmérsékleten és nyomáson. Feltételezzük, hogy maguk a gázmolekulák tökéletesen rugalmas ütközésekben ütköznek össze. Azt is feltételezik, hogy a molekulák elég messze vannak egymástól ahhoz, hogy ponttömegként kezelhetők legyenek.

Három fő a termodinamika törvényei (az első, a második és a harmadik törvénynek hívják), de létezik egy nulladik törvény is. Ezeket a törvényeket a következőképpen írják le:

A a termodinamika nulladik törvénye valószínűleg a leg intuitívabb. Kimondja, hogy ha az A anyag hőegyensúlyban van a B anyaggal, és a B anyag termikus egyensúlyt a C anyaggal, akkor következik, hogy az A anyagnak hőegyensúlyban kell lennie C. anyag

A a termodinamika első törvénye alapvetően az energiamegmaradás törvényének megállapítása. Megállapítja, hogy a rendszer belső energiájának változása megegyezik a rendszerbe átvitt hőenergia és a rendszer által a környezetén végzett munka különbségével.

A a termodinamika második törvénye, amelyet néha az idő nyilát magában foglaló törvénynek is neveznek - kijelenti, hogy a zárt rendszerben a teljes entrópia csak állandó maradhat, vagy növekedhet az idő előrehaladtával. Az entrópia lazán felfogható a rendszer rendellenességének mércéjeként, és ez a törvény gondolható lazán kijelentve, hogy „a dolgok inkább összekeverednek, annál inkább felrázzák őket, szemben keverés nélküli. ”

A a termodinamika harmadik törvénye kijelenti, hogy egy rendszer entrópiája megközelíti az állandó értéket, amikor a rendszer hőmérséklete az abszolút nullához közelít. Mivel abszolút nullánál nincs molekuláris mozgás, logikus, hogy az entrópia ezen a ponton nem változik.

A termodinamika a statisztikai mechanikát használja. Ez a fizika olyan ága, amely statisztikákat alkalmaz a klasszikus és a kvantumfizikára egyaránt.

A statisztikai mechanika lehetővé teszi a tudósok számára, hogy a makroszkopikus mennyiségekkel egyszerűbben dolgozzanak, mint a mikroszkópos mennyiségekkel. Vegyük például a hőmérsékletet. Meghatározása az anyag molekulánként mért átlagos kinetikus energiája.

Mi lenne, ha ehelyett meg kellene határoznia az egyes molekulák tényleges kinetikus energiáját, és ennél is többet kell követnie a molekulák közötti ütközésekről? Szinte lehetetlen lenne előrelépni. Ehelyett statisztikai technikákat alkalmaznak, amelyek lehetővé teszik a hőmérséklet, a hőteljesítmény és így tovább az anyag nagyobb tulajdonságainak megértését.

Ezek a tulajdonságok az anyagon belüli átlagos viselkedést írják le. Ugyanez vonatkozik az olyan mennyiségekre, mint a nyomás és az entrópia.

A hőerőgép egy termodinamikai rendszer, amely a hőenergiát mechanikai energiává alakítja. A gőzgépek a hőmotor példái. Úgy működnek, hogy nagy nyomáson mozgatják a dugattyút.

A hőmotorok valamiféle teljes cikluson működnek. Van valamilyen hőforrásuk, amelyet általában hőfürdőnek hívnak, amely lehetővé teszi számukra a hőenergia felvételét. Ez a hőenergia ezután valamiféle termodinamikai változást okoz a rendszeren belül, például növekvő nyomást vagy gáz kitágulását.

Ha egy gáz kitágul, akkor a környezetre is hatással van. Néha ez úgy néz ki, mintha egy dugattyú elmozdulna a motorban. A ciklus végén hűvös fürdőt használunk, hogy a rendszer visszatérjen a kiindulópontjához.

A hőmotorok felveszik a hőenergiát, hasznos munkára használják fel, majd a folyamat során leadnak vagy veszítenek némi hőenergiát a környezetnek. A hatékonyság hőmotor esetén a hasznos munka teljesítményének a nettó hőmennyiséghez viszonyított aránya.

Nem meglepő, hogy a tudósok és mérnökök azt akarják, hogy hőmotorjaik a lehető leghatékonyabbak legyenek - a bevitt hőenergia maximális mennyiségét hasznos munkává alakítsák. Gondolhatja, hogy a leghatékonyabb hőmotor 100 százalékos, de ez helytelen.

Valójában a hőmotor maximális hatásfokának van egy korlátja. A hatékonyság nemcsak a típusától függ folyamatok a ciklusban, még akkor is, amikor a lehető legjobb folyamatok (olyanokat, amelyek visszafordíthatók) használnak, a leghatékonyabb hőmotor a hőfürdő és a hidegfürdő közötti relatív hőmérséklet-különbségtől függ.

Ezt a maximális hatékonyságot nevezzük Carnot-hatékonyságnak, és ez az a hatékonysága Carnot-ciklus, amely egy teljesen visszafordítható hőmotor-ciklus folyamatok.

A termodinamikának számos alkalmazási területe van folyamatok a mindennapi életben. Vegyük például a hűtőszekrényt. A hűtőszekrény termodinamikai cikluson kívül működik.

Először egy kompresszor tömöríti a hűtőközeg gőzeit, amelyek nyomásemelkedést okoznak, és előre tolják azokat a tekercsekbe, amelyek a hűtőszekrény hátulján helyezkednek el. Ha érzi ezeket a tekercseket, akkor tapintásukban melegnek érzik magukat.

A környező levegő lehűti őket, és a forró gáz folyadékká alakul. Ez a folyadék nagy nyomáson lehűl, amikor a hűtő belsejében tekercsekbe áramlik, elnyeli a hőt és lehűti a levegőt. Ha elég forró, újra elpárolog, és visszamegy a kompresszorba, és a ciklus megismétlődik.

A hőszivattyúk, amelyek fűteni és hűteni tudják a házat, hasonló elveken működnek.