თერმოდინამიკა: განმარტება, კანონები და განტოლებები

მრავალი ადამიანისთვის თერმოდინამიკა ჟღერს ფიზიკის რაღაც საშინელ დარგს, რომლის გაგება მხოლოდ ჭკვიან ხალხს შეუძლია. გარკვეული ფუნდამენტური ცოდნისა და მცირე შრომის წყალობით, ყველას შეუძლია გაითვალისწინოს ამ სფეროს სწავლა.

თერმოდინამიკა არის ფიზიკის დარგი, რომელიც იკვლევს ფიზიკურ სისტემებში მიმდინარე პროცესებს სითბოს ენერგიის გადატანის გამო. სადი კარნოტიდან რუდოლფ კლაუზიუსამდე და ჯეიმს კლერკ მაქსველიდან მაქს პლანკამდე ფიზიკოსებს ყველამ ხელი შეუწყო მის განვითარებას.

სიტყვა "თერმოდინამიკა" ბერძნული ფესვებიდან მოდის თერმოსი, რაც ნიშნავს ცხელს ან თბილს და დინამიკოსი, რაც ნიშნავს ძლიერს, თუმცა ფესვის მოგვიანებით ინტერპრეტაცია მოქმედების და მოძრაობის მნიშვნელობას ანიჭებს მას. არსებითად, თერმოდინამიკა არის მოძრავი სითბოს ენერგიის შესწავლა.

თერმოდინამიკა ეხება იმას, თუ როგორ შეიძლება სითბოს ენერგიის გამომუშავება და ენერგიის სხვადასხვა ფორმებად გარდაქმნა, მაგალითად, მექანიკური ენერგია. იგი ასევე შეისწავლის წესრიგისა და აშლილობის ცნებას ფიზიკურ სისტემებში, ასევე სხვადასხვა პროცესების ენერგოეფექტურობას.

თერმოდინამიკის ღრმა შესწავლაც დიდწილად ეყრდნობა სტატისტიკური მექანიკა კინეტიკური თეორიის გასაგებად და ა.შ. ძირითადი იდეა ის არის, რომ თერმოდინამიკური პროცესების გაგება შესაძლებელია იმის გათვალისწინებით, თუ რას აკეთებს სისტემის ყველა პატარა მოლეკულა.

პრობლემა ისაა, რომ შეუძლებელია თითოეული მოლეკულის ინდივიდუალური მოქმედების დაკვირვება და ანგარიშსწორება, ამიტომ გამოიყენება სტატისტიკური მეთოდები და დიდი სიზუსტით.

თერმოდინამიკასთან დაკავშირებული ზოგიერთი ფუნდამენტური სამუშაო შემუშავდა ჯერ კიდევ 1600-იან წლებში. რობერტ ბოილის მიერ შემუშავებული ბოილის კანონი განსაზღვრავს ურთიერთობებს წნევასა და მოცულობას შორის, რამაც საბოლოოდ გამოიწვია გაზის იდეალური კანონი, როდესაც ის შერწყმულია ჩარლზის კანთან და გეი-ლუსაკის კანონთან.

გრაფი რამფორდმა (იგივე სერ ბენიამინ ტომპსონი) სითბოს მხოლოდ 1798 წლამდე მიხვდა, როგორც ენერგია. მან დაადასტურა, რომ გამომუშავებული სითბო პროპორციულია მოსაწყენი ხელსაწყოს გადაკეთების საქმეში.

1800-იანი წლების დასაწყისში ფრანგმა სამხედრო ინჟინერმა სადი კარნომ მნიშვნელოვანი სამუშაო შეასრულა სითბოს ძრავის ციკლის კონცეფციის შემუშავება, აგრეთვე თერმოდინამიკაში შექცევადობის იდეა პროცესი (ზოგიერთი პროცესი დროში ისევე უკან მუშაობს, როგორც დროში წინ; ამ პროცესებს შექცევადს უწოდებენ. მრავალი სხვა პროცესი მხოლოდ ერთი მიმართულებით მუშაობს.)

კარნოტის მუშაობამ გამოიწვია ორთქლის ძრავის განვითარება.

მოგვიანებით, რუდოლფ კლაუსიუსმა ჩამოაყალიბა თერმოდინამიკის პირველი და მეორე კანონები, რომლებიც აღწერილია შემდეგ სტატიაში. თერმოდინამიკის დარგი სწრაფად განვითარდა 1800-იან წლებში, რადგან ინჟინრები მუშაობდნენ ორთქლის ძრავების ეფექტურობის გასაკეთებლად.

თერმოდინამიკური თვისებები და რაოდენობა შეიცავს შემდეგს:

• სითბო, რაც ენერგია გადადის ობიექტებს შორის სხვადასხვა ტემპერატურაზე.
• ტემპერატურა, რაც არის საშუალო კინეტიკური ენერგიის საზომი თითო მოლეკულაში ნივთიერებაში.
• შინაგანი ენერგია, რაც არის მოლეკულური კინეტიკური ენერგიისა და პოტენციური ენერგიის ჯამი მოლეკულების სისტემაში.
• წნევა, რომელიც არის ძალის საზომი ერთეულზე ფართობზე კონტეინერზე, რომელშიც განთავსებულია ნივთიერება.
• მოცულობა არის სამგანზომილებიანი სივრცე, რომელსაც ნივთიერება იკავებს.
• მიკროსტატები არის შტატები, სადაც ცალკეული მოლეკულები არიან.
• მაკროსტატები უფრო დიდი სახელმწიფოებია, რომელშიც მოლეკულების კოლექციებია.
• ენტროპია არის ნივთიერების აშლილობის საზომი. იგი მათემატიკურად განისაზღვრება მიკროსტატების მიხედვით, ან ეკვივალენტურად, სითბოს და ტემპერატურის ცვლილებების თვალსაზრისით.

მრავალი სხვადასხვა სამეცნიერო ტერმინი გამოიყენება თერმოდინამიკის შესწავლისას. საკუთარი გამოძიების გამარტივების მიზნით, აქ მოცემულია ხშირად გამოყენებული ტერმინების განმარტებების სია:

• თერმული წონასწორობა ან თერმოდინამიკური წონასწორობა: მდგომარეობა, რომელშიც დახურული სისტემის ყველა ნაწილი ერთ ტემპერატურაზეა.
• აბსოლუტური ნულოვანი კელვინი: კელვინი არის SI ტემპერატურის ერთეული. ამ მასშტაბის ყველაზე დაბალი მნიშვნელობა არის ნულოვანი, ან აბსოლუტური ნულოვანი. ეს არის ყველაზე ცივი ტემპერატურა.
• თერმოდინამიკური სისტემა: ნებისმიერი დახურული სისტემა, რომელიც შეიცავს თერმული ენერგიის ურთიერთქმედებასა და გაცვლას.
• Იზოლირებული სისტემა: სისტემა, რომელსაც ენერგიის გაცვლა არ შეუძლია მის გარეთ.
• სითბოს ენერგია ან თერმული ენერგია: ენერგიის მრავალი სხვადასხვა ფორმა არსებობს; მათ შორის არის თერმული ენერგია, რაც არის ენერგია, რომელიც ასოცირდება სისტემაში მოლეკულების კინეტიკური მოძრაობით.
• გიბსის თავისუფალი ენერგია: თერმოდინამიკური პოტენციალი, რომელიც გამოიყენება სისტემაში შექცევადი მუშაობის მაქსიმალური რაოდენობის დასადგენად.
• სპეციფიკური სითბოს ტევადობა: სითბოს ენერგიის რაოდენობა, რომელიც საჭიროა ნივთიერების ერთეული მასის ტემპერატურის 1 გრადუსით შესაცვლელად. ეს დამოკიდებულია ნივთიერების ტიპზე და არის რიცხვი, რომელიც ჩვეულებრივ იხილავს ცხრილებში.
• იდეალური გაზი: გაზების გამარტივებული მოდელი, რომელიც ეხება გაზების უმეტესობას სტანდარტული ტემპერატურისა და წნევის დროს. გაზის მოლეკულები თავად ითვლება რომ ელასტიური შეჯახებების შედეგად ეჯახებიან ერთმანეთს. ასევე დაშვებულია, რომ მოლეკულები საკმაოდ შორს არიან ერთმანეთისგან, რომ მათი მკურნალობა წერტილოვანი მასების მსგავსად შეიძლება.

სამი მთავარია თერმოდინამიკის კანონები (ეწოდება პირველი კანონი, მეორე კანონი და მესამე კანონი) მაგრამ არსებობს ნულოვანი კანონიც. ეს კანონები შემდეგნაირად არის აღწერილი:

თერმოდინამიკის ნულოვანი კანონი ალბათ ყველაზე ინტუიტიურია. მასში ნათქვამია, რომ თუ ნივთიერება A თერმული წონასწორობაშია B ნივთიერებასთან და B ნივთიერება არის თერმული წონასწორობა C ნივთიერებასთან, აქედან გამომდინარეობს, რომ ნივთიერება A უნდა იყოს თერმული წონასწორობა მასთან ნივთიერება C.

თერმოდინამიკის პირველი კანონი ძირითადად არის ენერგიის დაზოგვის კანონის განცხადება. მასში ნათქვამია, რომ სისტემის შინაგანი ენერგიის ცვლილება ტოლია სისტემაში გადატანილი სითბოს ენერგიასა და სისტემის მიერ მის შემოგარენზე შესრულებულ სამუშაოს შორის სხვაობას.

თერმოდინამიკის მეორე კანონი, ზოგჯერ მოიხსენიებენ როგორც კანონს, რომელიც გულისხმობს დროის ისარს - ნათქვამია, რომ დახურულ სისტემაში მთლიანი ენტროპია შეიძლება მხოლოდ მუდმივი დარჩეს ან გაიზარდოს, როდესაც დრო წინ მიიწევს. ენტროპია შეიძლება თავისუფლად მივიჩნიოთ, როგორც სისტემის არეულობის საზომი და ეს კანონი შეიძლება ვიფიქროთ იმის თავისუფლად, როგორც ამბობს, რომ ”ყველაფერი უფრო მეტად ერევა ერთმანეთთან, რაც უფრო მეტად შერყევით მათ, განსხვავებით შერევა. ”

თერმოდინამიკის მესამე კანონი აცხადებს, რომ სისტემის ენტროპია უახლოვდება მუდმივ მნიშვნელობას, რადგან სისტემის ტემპერატურა აბსოლუტურ ნულს უახლოვდება. მას შემდეგ, რაც აბსოლუტურ ნულზე, არ არსებობს მოლეკულური მოძრაობა, აზრი აქვს, რომ ენტროპია არ შეიცვლება ამ ეტაპზე.

თერმოდინამიკა იყენებს სტატისტიკურ მექანიკას. ეს არის ფიზიკის ის დარგი, რომელიც სტატისტიკას იყენებს როგორც კლასიკურ, ისე კვანტურ ფიზიკაში.

სტატისტიკური მექანიკა საშუალებას აძლევს მეცნიერებს მუშაობდნენ მაკროსკოპული რაოდენობით უფრო მარტივად, ვიდრე მიკროსკოპული რაოდენობით. განვიხილოთ ტემპერატურა, მაგალითად. იგი განისაზღვრება, როგორც საშუალო კინეტიკური ენერგია თითო მოლეკულაში ნივთიერებაში.

რა მოხდება, თუ ამის ნაცვლად დაგჭირდებათ თითოეული მოლეკულის რეალური კინეტიკური ენერგიის დადგენა და უფრო მეტიც, თვალყური ადევნეთ მოლეკულების თითოეულ შეჯახებას? თითქმის შეუძლებელი იქნებოდა რაიმე წინსვლის გაკეთება. ამის ნაცვლად, გამოყენებულია სტატისტიკური ტექნიკა, რომელიც საშუალებას იძლევა გაგებულ იქნას ტემპერატურა, სითბოს ტევადობა და ა.შ., როგორც მასალის უფრო დიდი თვისებები.

ეს თვისებები აღწერს მასალაში საშუალო ქცევას. იგივე ითქმის იმ რაოდენობებზე, როგორიცაა წნევა და ენტროპია.

ა სითბოს ძრავა არის თერმოდინამიკური სისტემა, რომელიც სითბოს ენერგიას გარდაქმნის მექანიკურ ენერგიად. ორთქლის ძრავები სითბოს ძრავის მაგალითია. ისინი მუშაობენ დგუშის გადასაადგილებლად მაღალი წნევის გამოყენებით.

სითბოს ძრავები მუშაობს გარკვეული სახის სრული ციკლით. მათ აქვთ ერთგვარი სითბოს წყარო, რომელსაც ჩვეულებრივ სითბოს აბაზანა უწოდებენ, რაც მათ საშუალებას აძლევს სითბოს ენერგია მიიღონ. შემდეგ ეს სითბო ენერგია იწვევს სისტემის შიგნით ერთგვარ თერმოდინამიკურ ცვლილებას, მაგალითად, წნევის გაზრდას ან გაზის გაფართოებას.

როდესაც გაზი აფართოებს, ის მუშაობს გარემოზე. ზოგჯერ ეს ჰგავს დგუშის ძრავაში გადაადგილებას. ციკლის ბოლოს მაგარი აბაზანა გამოიყენება სისტემის საწყის წერტილამდე დასაბრუნებლად.

გათბობის ძრავები იღებენ სითბოს ენერგიას, იყენებენ მას სასარგებლო სამუშაოს შესასრულებლად და შემდეგ პროცესის დროს გარემოს სითბოს ან ენერგიას ანიჭებენ. ეფექტურობა სითბოს ძრავა განისაზღვრება, როგორც სასარგებლო სამუშაოს გამომუშავების თანაფარდობა წმინდა სითბოს შეყვანასთან.

გასაკვირი არ არის, რომ მეცნიერებსა და ინჟინრებს სურთ, რომ მათი სითბური ძრავები მაქსიმალურად ეფექტური იყოს - სითბოს ენერგიის მაქსიმალური რაოდენობით სასარგებლო შრომად გადაქცევა. ალბათ იფიქრებთ, რომ ყველაზე ეფექტური სითბოს ძრავა 100 პროცენტიანი ეფექტურია, მაგრამ ეს არასწორია.

სინამდვილეში, სითბოს ძრავის მაქსიმალური ეფექტურობის შეზღუდვაა. ეფექტურობა არა მხოლოდ დამოკიდებულია ტიპის მიხედვით პროცესები ციკლში, მაშინაც კი, როდესაც ეს საუკეთესოა პროცესები გამოიყენება (შექცევადი), ყველაზე ეფექტური სითბური ძრავა დამოკიდებულია ტემპერატურის ფარდობით სხვაობაზე სითბოს აბაზანასა და გრილ აბაზანას შორის.

ამ მაქსიმალურ ეფექტურობას Carnot ეფექტურობას უწოდებენ და ეს არის a კარნოტის ციკლი, რომელიც წარმოადგენს სითბოს ძრავის ციკლს, რომელიც მთლიანად შექცევადია პროცესები.

თერმოდინამიკის მრავალი პროგრამა არსებობს პროცესები ჩანს ყოველდღიურ ცხოვრებაში. მაგალითად, ავიღოთ მაცივარი. მაცივარი მუშაობს თერმოდინამიკური ციკლიდან.

პირველი კომპრესორი შეკუმშავს გამაგრილებლის ორთქლს, რაც იწვევს წნევის ზრდას და უბიძგებს მას თქვენს მაცივრის გარე უკანა მხარეს მდებარე კოჭებში. თუ გრძნობთ ამ ხვიებს, ისინი შეხებისას თბილად გრძნობენ თავს.

მიმდებარე ჰაერი იწვევს მათ გაგრილებას, ხოლო ცხელი გაზი თხევად იქცევა. ეს თხევადი მაღალ წნევაზე კლებულობს, რადგან მაცივრის შიგნით ხვდება, სითბოს იწოვს და აცივებს ჰაერს. საკმარისად ცხელი, ის კვლავ აორთქლდება გაზში და ბრუნდება კომპრესორში და ციკლი მეორდება.

სითბოს ტუმბოები, რომლებსაც შეუძლიათ თქვენი სახლის გათბობა და გაგრილება, მუშაობენ მსგავს პრინციპებზე.