Termodinamika: apibrėžimas, dėsniai ir lygtys

Daugeliui žmonių termodinamika skamba kaip kokia baisi fizikos šaka, kurią gali suprasti tik protingi žmonės. Bet turėdamas tam tikrų pagrindinių žinių ir šiek tiek darbo, kiekvienas gali įprasminti šią studijų sritį.

Termodinamika yra fizikos šaka, nagrinėjanti fizinių sistemų eigą dėl šilumos energijos perdavimo. Fizikai nuo Sadi Carnot iki Rudolfo Clausiuso ir Jameso Clerko Maxwello iki Maxo Plancko visi turėjo savo ranką.

Žodis „termodinamika“ kilęs iš graikų šaknų termosas, reiškiantis karštą ar šiltą, ir dinamikai, reiškiantis galingą, nors vėlesnės šaknies interpretacijos jai priskiria veiksmo ir judesio prasmę. Iš esmės termodinamika yra judančios šilumos energijos tyrimas.

Termodinamika nagrinėja, kaip šilumos energija gali būti generuojama ir paverčiama įvairiomis energijos formomis, tokiomis kaip mechaninė energija. Taip pat tiriama fizinių sistemų tvarkos ir netvarkos samprata, taip pat įvairių procesų energijos vartojimo efektyvumas.

Didelis termodinamikos tyrimas taip pat labai priklauso

Tačiau problema yra ta, kad neįmanoma stebėti ir atsižvelgti į kiekvienos molekulės individualų veiksmą, todėl vietoj to naudojami statistiniai metodai ir labai tiksliai.

Kai kurie pamatiniai darbai, susiję su termodinamika, buvo sukurti dar 1600-aisiais. Roberto Boyle'o sukurtas Boyle'o įstatymas nulėmė slėgio ir tūrio santykį, kuris galiausiai paskatino idealų dujų įstatymą, kai jis buvo sujungtas su Charleso įstatymu ir Gay-Lussaco įstatymu.

Tik 1798 m. Šilumą kaip energijos formą suprato grafas Rumfordas (dar žinomas kaip seras Benjaminas Thompsonas). Jis pastebėjo, kad sukurta šiluma buvo proporcinga nuveikto darbo nuovargio darbui.

1800-ųjų pradžioje Prancūzijoje karo inžinierius Sadi Carnot atliko nemažą darbą plėtojant šilumos variklio ciklo koncepciją, taip pat termodinamikos grįžtamumo idėją procesą. (Kai kurie procesai laike veikia taip pat gerai, kaip ir laike; tie procesai vadinami grįžtamaisiais. Daugelis kitų procesų veikia tik viena kryptimi.)

Carnot darbas paskatino garo variklio kūrimą.

Vėliau Rudolfas Clausius suformulavo pirmąjį ir antrąjį termodinamikos dėsnius, kurie aprašomi vėliau šiame straipsnyje. Termodinamikos sritis sparčiai vystėsi 1800-aisiais, kai inžinieriai dirbo, kad garo varikliai būtų efektyvesni.

Termodinaminės savybės ir dydžiai apima:

• Šiluma, kuri yra energija, perduodama tarp objektų skirtingoje temperatūroje.
• Temperatūra, kuris yra vienos molekulės vidutinės kinetinės energijos matas medžiagoje.
• Vidinė energija, kuri yra molekulinės kinetinės energijos ir potencialios energijos suma molekulių sistemoje.
• Slėgis, kuris yra jėga, tenkanti konteinerio, kuriame yra medžiaga, ploto vienetui.
• Tomas yra trimatė erdvė, kurią užima medžiaga.
• Mikrostatos yra būsenos, kuriose yra atskiros molekulės.
• Makrostatai yra didesnės būsenos, kuriose yra molekulių kolekcijos.
• Entropija yra medžiagos sutrikimo matas. Matematiškai jis apibrėžiamas pagal mikroklases arba, lygiaverčiai, pagal šilumos ir temperatūros pokyčius.

Tiriant termodinamiką, naudojama daug įvairių mokslinių terminų. Norėdami supaprastinti savo tyrimus, pateikite dažniausiai vartojamų terminų apibrėžimų sąrašą:

• Terminė pusiausvyra arba termodinaminė pusiausvyra: Būsena, kai visos uždaros sistemos dalys yra vienodos temperatūros.
• Absoliutus nulis Kelvinas: Kelvinas yra SI temperatūros vienetas. Mažiausia šios skalės reikšmė yra nulis arba absoliutus nulis. Tai yra kuo šaltesnė temperatūra.
• Termodinaminė sistema: Bet kuri uždara sistema, kurioje yra šiluminės energijos sąveika ir mainai.
• Izoliuota sistema: Sistema, kuri negali keistis energija su kuo nors už jos ribų.
• Šilumos energija arba šiluminė energija: Yra daug įvairių energijos formų; tarp jų yra šiluminė energija, kuri yra energija, susijusi su molekulių kinetiniu judesiu sistemoje.
• Gibso nemokama energija: Termodinaminis potencialas, naudojamas maksimaliam grįžtamojo darbo kiekiui sistemoje nustatyti.
• Specifinė šilumos talpa: Šilumos energijos kiekis, reikalingas medžiagos masės vieneto temperatūrai pakeisti 1 laipsniu. Tai priklauso nuo medžiagos tipo ir yra skaičius, paprastai ieškomas lentelėse.
• Idealios dujos: Supaprastintas dujų modelis, taikomas daugumai dujų esant standartinei temperatūrai ir slėgiui. Manoma, kad pačios dujų molekulės susiduria visiškai elastingų susidūrimų metu. Taip pat daroma prielaida, kad molekulės yra pakankamai toli viena nuo kitos, kad jas būtų galima traktuoti kaip taškines mases.

Yra trys pagrindiniai termodinamikos dėsniai (vadinamas pirmuoju, antruoju ir trečiuoju įstatymais), tačiau yra ir nulinis įstatymas. Šie įstatymai apibūdinami taip:

The nulinis termodinamikos dėsnis yra bene intuityviausias. Jame teigiama, kad jei medžiaga A yra šiluminėje pusiausvyroje su B medžiaga, o B medžiaga yra terminėje pusiausvyra su medžiaga C, tada išplaukia, kad medžiaga A turi būti šilumos pusiausvyroje su medžiaga C.

The pirmasis termodinamikos dėsnis iš esmės yra energijos išsaugojimo dėsnis. Jame teigiama, kad sistemos vidinės energijos pokytis yra lygus skirtumui tarp į sistemą perduodamos šilumos energijos ir sistemos jos aplinkoje atlikto darbo.

The antrasis termodinamikos dėsnis, kartais vadinamas įstatymu, kuris reiškia laiko rodyklę - teigia, kad bendra entropija uždaroje sistemoje gali likti pastovi arba didėti tik laikui bėgant. Apie entropiją galima laisvai galvoti kaip apie sistemos sutrikimo matą, ir apie šį dėsnį galima galvoti laisvai teigdamas, kad „daiktai linkę maišytis, tuo labiau, kad juos supurtai, o ne nemaišyti “.

The trečiasis termodinamikos dėsnis teigia, kad sistemos entropija artėja prie pastovios vertės, kai sistemos temperatūra artėja prie absoliutaus nulio. Kadangi esant absoliučiam nuliui, molekulinio judėjimo nėra, prasminga, kad entropija tuo metu nepasikeistų.

Termodinamikoje naudojama statistinė mechanika. Tai yra fizikos šaka, taikanti statistiką tiek klasikinei, tiek kvantinei fizikai.

Statistinė mechanika leidžia mokslininkams dirbti su makroskopiniais dydžiais paprasčiau nei su mikroskopiniais dydžiais. Apsvarstykite, pavyzdžiui, temperatūrą. Jis apibrėžiamas kaip vidutinė medžiagos molekulės kinetinė energija.

Ką daryti, jei vietoj to jums reikia nustatyti tikrąją kiekvienos molekulės kinetinę energiją, o dar daugiau - sekti kiekvieną susidūrimą tarp molekulių? Būtų beveik neįmanoma pasistūmėti į priekį. Vietoj to naudojami statistiniai metodai, leidžiantys suprasti temperatūrą, šilumos talpą ir pan. Kaip didesnes medžiagos savybes.

Šios savybės apibūdina vidutinį medžiagos elgesį. Tas pats pasakytina apie tokius kiekius kaip slėgis ir entropija.

A šilumos variklis yra termodinaminė sistema, paverčianti šilumos energiją mechanine. Garo varikliai yra šilumos variklio pavyzdys. Jie dirba naudodami aukštą slėgį stūmokliui judėti.

Šilumos varikliai veikia tam tikru pilnu ciklu. Jie turi tam tikrą šilumos šaltinį, kuris paprastai vadinamas šilumos vonia, leidžiančiu jiems priimti šilumos energiją. Tuomet ta šilumos energija sukelia tam tikrus termodinaminius pokyčius sistemoje, pavyzdžiui, padidina slėgį ar išsiplečia dujos.

Kai dujos plečiasi, jos veikia aplinką. Kartais tai atrodo kaip priversti stūmoklį judėti variklyje. Ciklo pabaigoje naudojama vėsi vonia, kad sistema grįžtų į pradinį tašką.

Šiluminiai varikliai ima šilumos energiją, naudoja ją naudingam darbui atlikti, o proceso metu taip pat atiduoda arba praranda šiek tiek šilumos energijos aplinkai. The efektyvumas šilumos variklio yra apibrėžiamas kaip naudingo darbo ir grynosios šilumos sąnaudų santykis.

Nenuostabu, kad mokslininkai ir inžinieriai nori, kad jų šiluminiai varikliai būtų kuo efektyvesni - didžiausią suvartojamos šilumos energijos kiekį paverčia naudingu darbu. Galite pagalvoti, kad efektyviausias šilumos variklis gali būti 100 proc. Efektyvus, tačiau tai neteisinga.

Tiesą sakant, yra maksimalaus šiluminio variklio efektyvumo riba. Efektyvumas priklauso ne tik nuo tipo procesus ciklo metu, net kai tai įmanoma procesus (kurie yra grįžtami), efektyviausias šilumos variklis gali būti priklausomas nuo santykinio temperatūros skirtumo tarp šilumos vonios ir vėsios vonios.

Šis maksimalus efektyvumas vadinamas Carnot efektyvumu, o tai yra a Karno ciklas, kuris yra šilumos variklio ciklas, sudarytas iš visiškai grįžtamo procesus.

Yra daugybė termodinamikos pritaikymų procesus matyti kasdieniame gyvenime. Paimkite, pavyzdžiui, savo šaldytuvą. Šaldytuvas veikia ne pagal termodinaminį ciklą.

Pirmiausia kompresorius suspaudžia šaltnešio garus, kurie padidina slėgį ir pastumia juos į ritinius, esančius jūsų šaldytuvo gale. Jei pajusite šiuos ritinius, jie jausis šilti.

Aplinkinis oras juos atvėsina, o karštos dujos vėl virsta skysčiu. Šis skystis atvėsta esant aukštam slėgiui, kai jis teka į ritinius šaldytuvo viduje, sugerdamas šilumą ir atvėsindamas orą. Pakankamai įkaitęs, jis vėl išgaruoja į dujas ir grįžta į kompresorių, o ciklas kartojasi.

Panašiais principais veikia šilumos siurbliai, kurie gali šildyti ir atvėsinti jūsų namus.