תרמודינמיקה: הגדרה, חוקים ומשוואות

עבור אנשים רבים תרמודינמיקה נשמעת כמו איזה ענף מפחיד בפיזיקה שרק האנשים החכמים יכולים להבין. אבל עם קצת ידע בסיסי וקצת עבודה, כל אחד יכול להבין את תחום הלימוד הזה.

תרמודינמיקה היא ענף בפיזיקה הבוחן את המתרחש במערכות פיזיקליות עקב העברת אנרגיית חום. לפיזיקאים מסאדי קרנוט ועד רודולף קלאוזיוס וג'יימס פקיד מקסוול ועד מקס פלאנק הייתה יד ביד בהתפתחותו.

המילה "תרמודינמיקה" מקורה בשורשים היוונים תֶרמוֹס, כלומר חם או חם, ו דינמיקוס, שמשמעותו עוצמתית, אם כי פרשנויות מאוחרות יותר של השורש מייחסות לו את משמעות הפעולה והתנועה. בעיקרו של דבר, תרמודינמיקה היא חקר אנרגיית החום בתנועה.

תרמודינמיקה עוסקת כיצד ניתן ליצור אנרגית חום ולהפוך אותה לצורות אנרגיה שונות כגון אנרגיה מכנית. זה גם בוחן את הרעיון של סדר ואי סדר במערכות פיזיות, כמו גם יעילות אנרגטית של תהליכים שונים.

מחקר עמוק של תרמודינמיקה נשען גם מאוד מכניקה סטטיסטית על מנת להבין את התיאוריה הקינטית וכן הלאה. הרעיון הבסיסי הוא שניתן להבין תהליכים תרמודינמיים במונחים של מה שעושים כל המולקולות הקטנות במערכת.

הבעיה היא, עם זאת, כי אי אפשר להתבונן ולבצע התחשבות בפעולה האינדיבידואלית של כל מולקולה, ולכן מוחלות שיטות סטטיסטיות ובדיוק רב.

כמה עבודות יסוד הקשורות לתרמודינמיקה פותחו כבר בשנות ה 1600-. חוק בויל, שפותח על ידי רוברט בויל, קבע את הקשר בין לחץ לנפח, מה שהוביל בסופו של דבר לחוק הגז האידיאלי בשילוב עם חוק צ'ארלס וחוק גיי-לוסאק.

רק בשנת 1798 הבינו את החום כסוג של אנרגיה על ידי הרוזן רומפורד (המכונה סר בנג'מין תומפסון). הוא ציין כי החום שנוצר היה פרופורציונאלי לעבודה שנעשתה בהפיכת כלי משעמם.

בתחילת המאה העשרים, המהנדס הצבאי הצרפתי סאדי קרנו עשה עבודה לא מבוטלת פיתוח הרעיון של מחזור מנוע חום, כמו גם את רעיון ההפיכות בתרמודינמיקה תהליך. (תהליכים מסוימים עובדים לאחור בזמן כמו קדימה בזמן; תהליכים אלה נקראים הפיכים. תהליכים רבים אחרים פועלים רק בכיוון אחד.)

עבודתו של קרנו הובילה לפיתוח מנוע הקיטור.

מאוחר יותר, רודולף קלאוסיוס ניסח את החוקים הראשונים והשניים של התרמודינמיקה, המתוארים בהמשך מאמר זה. תחום התרמודינמיקה התפתח במהירות בשנות התשעים של המאה העשרים כאשר המהנדסים פעלו בכדי לייעל את מנועי הקיטור.

המאפיינים והכמויות התרמודינמיות כוללים את הדברים הבאים:

• חוֹם, שהיא אנרגיה המועברת בין עצמים בטמפרטורות שונות.
• טֶמפֶּרָטוּרָה, שהוא מדד לאנרגיה הקינטית הממוצעת למולקולה בחומר.
• אנרגיה פנימית, שהוא סכום האנרגיה הקינטית המולקולרית והאנרגיה הפוטנציאלית במערכת מולקולות.
• לַחַץ, שהוא מדד לכוח ליחידת שטח על מיכל בו נמצא חומר.
• כרך הוא המרחב התלת מימדי שחומר תופס.
• מיקרו-מדינות הם המצבים בהם נמצאים מולקולות בודדות.
• מקרוסטטים הם המצבים הגדולים שבהם נמצאים אוספי מולקולות.
• אנטרופיה הוא מדד להפרעה בחומר. זה מוגדר מתמטית במונחים של מיקרו-מצבים, או באופן שווה, במונחים של שינויים בחום ובטמפרטורה.

מונחים מדעיים רבים ושונים משמשים בחקר התרמודינמיקה. כדי לפשט את החקירות שלך, הנה רשימה של הגדרות של מונחים נפוצים:

• שיווי משקל תרמי או שיווי משקל תרמודינמי: מצב בו כל חלקי המערכת הסגורה נמצאים באותה טמפרטורה.
• אפס מוחלט קלווין: קלווין היא יחידת ה- SI לטמפרטורה. הערך הנמוך ביותר בסולם זה הוא אפס, או אפס מוחלט. זו הטמפרטורה הקרה ביותר האפשרית.
• מערכת תרמודינמית: כל מערכת סגורה המכילה אינטראקציות והחלפת אנרגיה תרמית.
• מערכת מבודדת: מערכת שלא יכולה להחליף אנרגיה עם שום דבר שמחוצה לה.
• אנרגיית חום או אנרגיה תרמית: ישנן צורות רבות ושונות של אנרגיה; ביניהם אנרגיה תרמית, שהיא האנרגיה הקשורה לתנועה הקינטית של המולקולות במערכת.
• אנרגיה חופשית של גיבס: פוטנציאל תרמודינמי המשמש לקביעת הכמות המרבית של עבודה הפיכה במערכת.
• קיבולת חום ספציפית: כמות אנרגיית החום הנדרשת לשינוי טמפרטורה של מסת יחידת חומר בחום אחד. זה תלוי בסוג החומר ומספר שבדרך כלל מחפש אותו בטבלאות.
• גז אידיאלי: מודל גזים פשוט המתייחס לרוב הגזים בטמפרטורה ולחץ סטנדרטיים. ההנחה היא כי מולקולות הגז עצמן מתנגשות בהתנגשויות אלסטיות לחלוטין. ההנחה היא גם שהמולקולות רחוקות מספיק זו מזו כדי שניתן יהיה לטפל בהן כמו המוני נקודה.

יש שלוש עיקריות חוקי תרמודינמיקה (נקרא החוק הראשון, החוק השני והחוק השלישי) אבל יש גם חוק אפס. חוקים אלה מתוארים כדלקמן:

ה חוק אפס של תרמודינמיקה הוא כנראה הכי אינטואיטיבי. זה קובע שאם חומר A נמצא בשיווי משקל תרמי עם חומר B, וחומר B נמצא בתרמי שיווי משקל עם חומר C, מכאן נובע שחומר A חייב להיות בשיווי משקל תרמי עם חומר ג '.

ה החוק הראשון של התרמודינמיקה היא בעצם אמירה של חוק שימור האנרגיה. הוא קובע כי השינוי באנרגיה הפנימית של המערכת שווה להפרש בין אנרגיית החום המועברת למערכת לבין העבודה שביצעה המערכת על סביבתה.

ה החוק השני של התרמודינמיקה, המכונה לפעמים החוק המשתמע מחץ זמן - קובע כי האנטרופיה הכוללת במערכת סגורה יכולה להישאר קבועה או לגדול ככל שהזמן מתקדם. ניתן לחשוב על אנטרופיה באופן רופף כמדד להפרעה במערכת, וניתן לחשוב על חוק זה באופן רופף כאומר ש"דברים נוטים להתערבב ככל שמטלטלים אותם יותר, בניגוד ל מתערבב. "

ה החוק השלישי של התרמודינמיקה קובע כי האנטרופיה של מערכת מתקרבת לערך קבוע כאשר הטמפרטורה של המערכת מתקרבת לאפס מוחלט. מכיוון שבאפס מוחלט אין תנועה מולקולרית, הגיוני שהאנטרופיה לא תשתנה באותה נקודה.

התרמודינמיקה עושה שימוש במכניקות סטטיסטיות. זהו ענף בפיזיקה שמיישם סטטיסטיקה הן בפיזיקה קלאסית והן בפיזיקה קוונטית.

מכניקה סטטיסטית מאפשרת למדענים לעבוד עם כמויות מקרוסקופיות בצורה פשוטה יותר מאשר עם כמויות מיקרוסקופיות. קחו למשל טמפרטורה. היא מוגדרת כאנרגיה קינטית ממוצעת למולקולה בחומר.

מה אם במקום זה היית צריך לקבוע את האנרגיה הקינטית בפועל של כל מולקולה, ויותר מכך, לעקוב אחר כל התנגשות בין מולקולות? זה יהיה כמעט בלתי אפשרי להתקדם. במקום זאת משתמשים בטכניקות סטטיסטיות המאפשרות הבנה של טמפרטורה, יכולת חום וכן הלאה כתכונות גדולות יותר של חומר.

מאפיינים אלה מתארים התנהגות ממוצעת המתרחשת בתוך החומר. הדבר נכון גם לגבי כמויות כמו לחץ ואנטרופיה.

א מנוע חום היא מערכת תרמודינמית הממירה אנרגיית חום לאנרגיה מכנית. מנועי קיטור הם דוגמה למנוע חום. הם עובדים על ידי שימוש בלחץ גבוה כדי להזיז בוכנה.

מנועי חום פועלים במחזור שלם כלשהו. יש להם מקור חום כלשהו, ​​שנקרא בדרך כלל אמבט החום, שמאפשר להם לקחת אנרגיית חום. אז אנרגיית החום גורמת לשינוי תרמודינמי כלשהו בתוך המערכת, כמו הגדלת לחץ או הרחבת גז.

כאשר גז מתרחב, הוא עובד על הסביבה. לפעמים זה נראה כמו לגרום לבוכנה לנוע במנוע. בסוף מחזור, אמבטיה קרירה משמשת להחזרת המערכת לנקודת ההתחלה שלה.

מנועי חום לוקחים אנרגיית חום, משתמשים בה לעבודה מועילה ואז גם משחררים או מאבדים מעט אנרגיית חום לסביבה במהלך התהליך. ה יְעִילוּת של מנוע חום מוגדר כיחס בין תפוקת העבודה השימושית לכניסת החום נטו.

שלא במפתיע, מדענים ומהנדסים רוצים שמנועי החום שלהם יהיו יעילים ככל האפשר - והמירו כמויות מקסימליות של קלט אנרגיית חום לעבודה שימושית. אתה עשוי לחשוב שהמנוע החום היעיל ביותר יכול להיות הוא 100 אחוז יעיל, אבל זה לא נכון.

למעשה, קיימת מגבלה על היעילות המרבית של מנוע חום. לא רק היעילות תלויה בסוג תהליכים במחזור, גם כשהכי טוב שאפשר תהליכים (אלה הפיכים) משמשים, היעיל ביותר שמנוע חום יכול להיות תלוי בהפרש היחסי בטמפרטורות בין אמבט החום לאמבטיה הקרירה.

יעילות מקסימאלית זו נקראת יעילות קרנו, והיא היעילות של a מחזור קרנוט, שהוא מחזור מנועי חום המורכב לחלוטין מהפיכה תהליכים.

ישנם יישומים רבים של תרמודינמיקה ל- תהליכים נראה בחיי היומיום. קח למשל את המקרר שלך. מקרר פועל ממחזור תרמודינמי.

ראשית מדחס דוחס אדי קירור, מה שגורם לעליית לחץ ודוחף אותו קדימה לסלילים הממוקמים בחלק האחורי החיצוני של המקרר שלך. אם אתה מרגיש את הסלילים האלה, הם ירגישו חמים למגע.

האוויר שמסביב גורם להם להתקרר, והגז החם הופך חזרה לנוזל. נוזל זה מתקרר בלחץ גבוה כשהוא זורם לסלילים בתוך המקרר, סופג חום ומצנן את האוויר. ברגע שהוא חם מספיק, הוא מתאדה שוב לגז וחוזר חזרה למדחס, והמחזור חוזר.

משאבות חום, שיכולות לחמם ולקרר את הבית שלך, עובדות על עקרונות דומים.