Termodinamika: definīcija, likumi un vienādojumi

Daudziem cilvēkiem termodinamika izklausās kā kaut kāda biedējoša fizikas nozare, kuru var saprast tikai gudrie cilvēki. Bet ar zināmām pamatzināšanām un nelielu darbu ikviens var izprast šo studiju jomu.

Termodinamika ir fizikas nozare, kas pēta fizisko sistēmu darbību siltuma enerģijas pārneses dēļ. Fizikiem no Sadi Karnotas līdz Rūdolfam Klausiusam un Džeimsa Klerka Maksvela līdz Maksam Plankam visiem ir bijusi sava attīstība.

Vārds "termodinamika" nāk no grieķu valodas saknēm termoss, kas nozīmē karstu vai siltu, un dinamieši, kas nozīmē spēcīgu, kaut arī vēlāk saknes interpretācijas piedēvē tam darbības un kustības nozīmi. Būtībā termodinamika ir kustības siltuma enerģijas izpēte.

Termodinamika nodarbojas ar to, kā siltumenerģiju var radīt un pārveidot dažādās enerģijas formās, piemēram, mehāniskajā enerģijā. Tas arī pēta kārtības un nesakārtotības jēdzienu fiziskajās sistēmās, kā arī dažādu procesu energoefektivitāti.

Liela mērā paļaujas arī uz dziļu termodinamikas pētījumu

Tomēr problēma ir tā, ka nav iespējams novērot un ņemt vērā katras molekulas individuālo darbību, tāpēc tā vietā tiek izmantotas statistikas metodes un ar lielu precizitāti.

Daži ar termodinamiku saistīti pamatdarbi tika izstrādāti jau 1600. gados. Roberta Boila izstrādātais Boila likums noteica attiecības starp spiedienu un apjomu, kas galu galā noveda pie ideāla gāzes likuma, apvienojot to ar Čārlza likumu un Gaja-Lusaka likumu.

Tikai 1798. gadā karstumu kā enerģijas veidu saprata grāfs Rumfords (pazīstams arī kā sers Bendžamins Tompsons). Viņš novēroja, ka radītais siltums ir proporcionāls darbam, kas veikts, pagriežot garlaicīgu instrumentu.

1800. gadu sākumā franču militārais inženieris Sadi Karnot gadā veica ievērojamu darbu attīstot siltuma dzinēja cikla koncepciju, kā arī atgriezeniskuma ideju termodinamikā process. (Daži procesi laika gaitā darbojas tikpat labi kā uz priekšu; šos procesus sauc par atgriezeniskiem. Daudzi citi procesi darbojas tikai vienā virzienā.)

Carnot darbs noveda pie tvaika dzinēja izstrādes.

Vēlāk Rūdolfs Klausiuss formulēja pirmo un otro termodinamikas likumu, kas vēlāk ir aprakstīti šajā rakstā. Termodinamikas joma strauji attīstījās 1800. gados, kad inženieri strādāja, lai padarītu tvaika dzinējus efektīvākus.

Termodinamiskās īpašības un daudzumi ietver:

• Siltums, kas ir enerģija, kas tiek nodota starp objektiem dažādās temperatūrās.
• Temperatūra, kas ir vidējās kinētiskās enerģijas rādītājs uz molekulu vielā.
• Iekšējā enerģija, kas ir molekulārās kinētiskās enerģijas un potenciālās enerģijas summa molekulu sistēmā.
• Spiediens, kas ir spēka mērījums uz laukuma vienību traukā, kurā atrodas viela.
• Skaļums ir trīsdimensiju telpa, kuru viela aizņem.
• Mikrostati ir stāvokļi, kuros atrodas atsevišķas molekulas.
• Makrostati ir lielāki stāvokļi, kuros atrodas molekulu kolekcijas.
• Entropija ir vielas traucējumu mērs. To matemātiski definē mikrostatus vai līdzvērtīgi kā siltuma un temperatūras izmaiņas.

Pētot termodinamiku, tiek izmantoti daudzi dažādi zinātniski termini. Lai vienkāršotu izmeklēšanu, šeit ir saraksts ar visbiežāk lietoto terminu definīcijām:

• Termiskais līdzsvars vai termodinamiskais līdzsvars: Stāvoklis, kurā visas slēgtās sistēmas daļas atrodas vienādā temperatūrā.
• Absolūti nulle Kelvina: Kelvins ir SI vienība temperatūrai. Zemākā vērtība šajā skalā ir nulle vai absolūtā nulle. Tā ir iespējami aukstākā temperatūra.
• Termodinamiskā sistēma: Jebkura slēgta sistēma, kas satur mijiedarbību un siltumenerģijas apmaiņu.
• Izolēta sistēma: Sistēma, kas nespēj apmainīt enerģiju ar neko ārpus tās.
• Siltuma enerģija vai siltumenerģija: Ir daudz dažādu enerģijas veidu; starp tiem ir siltumenerģija, kas ir enerģija, kas saistīta ar molekulu kinētisko kustību sistēmā.
• Gibsa brīva enerģija: Termodinamiskais potenciāls, ko izmanto, lai noteiktu maksimālo atgriezeniskā darba apjomu sistēmā.
• Īpatnējā siltuma jauda: Siltumenerģijas daudzums, kas nepieciešams, lai vielas masas vienības temperatūru mainītu par 1 grādu. Tas ir atkarīgs no vielas veida un ir skaitlis, kas parasti tiek meklēts tabulās.
• Ideāla gāze: Vienkāršots gāzu modelis, kas attiecas uz lielāko daļu gāzu standarta temperatūrā un spiedienā. Tiek pieņemts, ka pašas gāzes molekulas saduras pilnīgi elastīgās sadursmēs. Tiek pieņemts arī, ka molekulas ir pietiekami tālu viena no otras, lai tās varētu apstrādāt kā punktu masas.

Ir trīs galvenie termodinamikas likumi (ko sauc par pirmo likumu, otro likumu un trešo likumu), bet ir arī nulles likums. Šie likumi ir aprakstīti šādi:

The termodinamikas nulles likums iespējams, ir pats intuitīvākais. Tajā teikts, ka, ja viela A atrodas termiskā līdzsvarā ar vielu B un viela B ir termiskā līdzsvars ar vielu C, tad izriet, ka vielai A jābūt termiskā līdzsvarā ar viela C.

The pirmais termodinamikas likums būtībā ir enerģijas saglabāšanas likuma paziņojums. Tajā teikts, ka sistēmas iekšējās enerģijas izmaiņas ir vienādas ar starpību starp sistēmā pārnesto siltumenerģiju un sistēmas veikto darbu tās apkārtnē.

The otrais termodinamikas likums, ko dažkārt dēvē par likumu, kas nozīmē laika bultiņu, norāda, ka kopējā entropija slēgtā sistēmā var palikt nemainīga vai pieaugt tikai laika virzībai uz priekšu. Entropiju var brīvi uzskatīt par sistēmas traucējumu mēru, un šo likumu var domāt brīvi, norādot, ka “lietas mēdz sajaukt kopā, jo vairāk jūs tās satricināt, nevis nesajaucot. ”

The trešais termodinamikas likums norāda, ka sistēmas entropija tuvojas nemainīgai vērtībai, kad sistēmas temperatūra tuvojas absolūtai nullei. Tā kā absolūtā nulle nav molekulārās kustības, ir jēga, ka entropija tajā brīdī nemainītos.

Termodinamikā tiek izmantota statistikas mehānika. Šī ir fizikas nozare, kas statistiku izmanto gan klasiskajā, gan kvantu fizikā.

Statistikas mehānika ļauj zinātniekiem strādāt ar makroskopiskiem lielumiem vienkāršāk nekā ar mikroskopiskiem lielumiem. Apsveriet, piemēram, temperatūru. To definē kā vidējo kinētisko enerģiju uz molekulu vielā.

Ko darīt, ja tā vietā jums vajadzētu noteikt katras molekulas faktisko kinētisko enerģiju un vēl vairāk sekot katrai molekulu sadursmei? Būtu gandrīz neiespējami virzīties uz priekšu. Tā vietā tiek izmantotas statistikas metodes, kas ļauj izprast temperatūru, siltuma jaudu un tā tālāk kā materiāla lielākas īpašības.

Šīs īpašības raksturo vidējo uzvedību, kas notiek materiālā. Tas pats attiecas uz tādiem lielumiem kā spiediens un entropija.

A siltuma dzinējs ir termodinamiskā sistēma, kas siltuma enerģiju pārvērš mehāniskajā enerģijā. Tvaika dzinēji ir siltuma dzinēja piemērs. Viņi strādā, izmantojot virzuļa pārvietošanai augstu spiedienu.

Siltuma dzinēji darbojas kaut kādā pilnā ciklā. Viņiem ir sava veida siltuma avots, ko parasti sauc par siltuma vannu, kas ļauj viņiem uzņemt siltuma enerģiju. Šī siltumenerģija pēc tam sistēmā rada kaut kādas termodinamiskas izmaiņas, piemēram, palielina spiedienu vai paplašina gāzi.

Kad gāze izplešas, tā darbojas apkārtējā vidē. Dažreiz tas izskatās kā virzuļa kustības izraisīšana motorā. Cikla beigās tiek izmantota vēsā vanna, lai sistēma atgrieztos sākuma stāvoklī.

Siltuma dzinēji uzņem siltumenerģiju, izmanto to noderīga darba veikšanai un pēc tam procesa laikā arī atdod vai zaudē videi kādu siltumenerģiju. The efektivitāte siltuma dzinēja vērtību definē kā lietderīgā darba un tīrā siltuma patēriņa attiecību.

Nav pārsteidzoši, ka zinātnieki un inženieri vēlas, lai viņu siltuma dzinēji būtu pēc iespējas efektīvāki - maksimālo ievadītās siltumenerģijas daudzumu pārveidojot par lietderīgu darbu. Jūs varētu domāt, ka visefektīvākais siltuma dzinējs varētu būt 100% efektīvs, taču tas ir nepareizi.

Faktiski siltuma dzinēja maksimālajai efektivitātei ir ierobežojums. Efektivitāte ir atkarīga ne tikai no tā veida procesi cikla laikā, pat pēc iespējas labāk procesi tiek izmantoti (atgriezeniski), visefektīvākais siltuma dzinējs var būt atkarīgs no relatīvās temperatūras starpības starp siltuma vannu un vēsu vannu.

Šo maksimālo efektivitāti sauc par Karota efektivitāti, un tā ir a efektivitāte Karnot cikls, kas ir siltuma dzinēja cikls, kas sastāv no pilnīgi atgriezeniska procesi.

Ir daudz termodinamikas pielietojumu procesi redzams ikdienas dzīvē. Paņemiet, piemēram, savu ledusskapi. Ledusskapis darbojas no termodinamiskā cikla.

Vispirms kompresors saspiež dzesētāja tvaikus, kas izraisa spiediena paaugstināšanos un virzās uz priekšu spolēs, kas atrodas jūsu ledusskapja aizmugurē. Ja jūs sajutīsiet šīs spoles, tās jutīsies silti.

Apkārtējais gaiss liek viņiem atdzist, un karstā gāze atkal pārvēršas par šķidrumu. Šis šķidrums atdziest augstā spiedienā, kad tas ieplūst spirālēs ledusskapja iekšpusē, absorbējot siltumu un atdzesējot gaisu. Kad tas ir pietiekami karsts, tas atkal iztvaiko gāzē un atkal nonāk kompresorā, un cikls atkārtojas.

Siltumsūkņi, kas var sildīt un atdzesēt jūsu māju, darbojas pēc līdzīgiem principiem.