Termodynamika: definicja, prawa i równania

Dla wielu osób termodynamika brzmi jak przerażająca gałąź fizyki, którą mogą zrozumieć tylko inteligentni ludzie. Ale przy odrobinie podstawowej wiedzy i odrobinie pracy każdy może zrozumieć ten obszar studiów.

Termodynamika jest gałęzią fizyki, która bada zjawiska zachodzące w układach fizycznych w wyniku przekazywania energii cieplnej. Fizycy od Sadi Carnot do Rudolfa Clausiusa i James Clerk Maxwell do Maxa Plancka wszyscy mieli swój udział w jego rozwoju.

Słowo „termodynamika” pochodzi z greckich korzeni termos, co oznacza gorące lub ciepłe, i dynamikos, co oznacza mocne, choć późniejsze interpretacje rdzenia przypisują mu znaczenie działania i ruchu. W istocie termodynamika to badanie energii cieplnej w ruchu.

Termodynamika zajmuje się generowaniem energii cieplnej i przekształcaniem jej w różne formy energii, takie jak energia mechaniczna. Bada również pojęcie porządku i nieporządku w systemach fizycznych, a także efektywność energetyczną różnych procesów.

Dogłębne badanie termodynamiki również w dużej mierze opiera się na

Problem polega jednak na tym, że nie da się zaobserwować i wyjaśnić indywidualnego działania każdej cząsteczki, dlatego zamiast tego stosuje się metody statystyczne i to z dużą dokładnością.

Niektóre fundamentalne prace związane z termodynamiką zostały opracowane już w XVII wieku. Prawo Boyle'a, opracowane przez Roberta Boyle'a, określiło związek między ciśnieniem a objętością, co ostatecznie doprowadziło do powstania prawa gazu doskonałego w połączeniu z prawem Charlesa i prawem Gay-Lussaca.

Dopiero w 1798 r. ciepło zostało zrozumiane jako forma energii przez hrabiego Rumforda (sir Benjamina Thompsona). Zauważył, że generowane ciepło było proporcjonalne do pracy wykonanej przy toczeniu wytaczaka.

Na początku XIX wieku francuski inżynier wojskowy Sadi Carnot wykonał znaczną ilość pracy w opracowanie koncepcji obiegu silnika cieplnego, a także idei odwracalności w termodynamice proces. (Niektóre procesy działają równie dobrze wstecz w czasie, jak i w przód w czasie; procesy te nazywane są odwracalnymi. Wiele innych procesów działa tylko w jednym kierunku).

Praca Carnota doprowadziła do opracowania silnika parowego.

Później Rudolf Clausius sformułował pierwszą i drugą zasadę termodynamiki, które zostały opisane w dalszej części artykułu. Dziedzina termodynamiki szybko ewoluowała w XIX wieku, gdy inżynierowie pracowali nad zwiększeniem wydajności silników parowych.

Właściwości i wielkości termodynamiczne obejmują:

• Ciepło, czyli energia przekazywana między obiektami w różnych temperaturach.
• Temperatura, który jest miarą średniej energii kinetycznej na cząsteczkę substancji.
• Energia wewnętrzna, który jest sumą molekularnej energii kinetycznej i energii potencjalnej w układzie cząsteczek.
• Nacisk, który jest miarą siły na jednostkę powierzchni działającej na pojemnik, w którym znajduje się substancja.
• Tom jest trójwymiarową przestrzenią, którą zajmuje substancja.
• Mikrostany to stany, w jakich znajdują się poszczególne cząsteczki.
• Makrostany są większymi stanami, w których znajdują się kolekcje cząsteczek.
• Entropia jest miarą zaburzenia w substancji. Jest matematycznie zdefiniowana w kategoriach mikrostanów lub równoważnie, w kategoriach zmian ciepła i temperatury.

W badaniu termodynamiki używa się wielu różnych terminów naukowych. W celu uproszczenia własnych badań, oto lista definicji powszechnie używanych terminów:

• Równowaga termiczna lub równowaga termodynamiczna: Stan, w którym wszystkie części systemu zamkniętego mają tę samą temperaturę.
• Zero bezwzględne Kelvina: Kelwin to jednostka SI określająca temperaturę. Najniższa wartość na tej skali to zero lub zero absolutne. To najzimniejsza możliwa temperatura.
• Układ termodynamiczny: Każdy zamknięty system, który zawiera interakcje i wymiany energii cieplnej.
• System izolowany: System, który nie może wymieniać energii z niczym poza nim.
• Energia cieplna lub energia cieplna: Istnieje wiele różnych form energii; wśród nich jest energia cieplna, która jest energią związaną z ruchem kinetycznym cząsteczek w układzie.
• Energia swobodna Gibbsa: Potencjał termodynamiczny, który służy do określenia maksymalnej ilości pracy odwracalnej w systemie.
• Specyficzna pojemność cieplna: Ilość energii cieplnej potrzebnej do zmiany temperatury jednostki masy substancji o 1 stopień. Zależy to od rodzaju substancji i jest to liczba zwykle podana w tabelach.
• Gaz doskonały: Uproszczony model gazów, który ma zastosowanie do większości gazów w standardowej temperaturze i ciśnieniu. Zakłada się, że same cząsteczki gazu zderzają się w idealnie sprężystych zderzeniach. Zakłada się również, że cząsteczki są od siebie na tyle daleko, że można je traktować jak masy punktowe.

Istnieją trzy główne prawa termodynamiki (nazywane pierwszym prawem, drugim prawem i trzecim prawem), ale istnieje również prawo zerowe. Prawa te są opisane w następujący sposób:

zerowa zasada termodynamiki jest prawdopodobnie najbardziej intuicyjny. Stwierdza, że ​​jeśli substancja A jest w równowadze termicznej z substancją B, a substancja B jest w stanie termicznym równowaga z substancją C, to z tego wynika, że ​​substancja A musi być w równowadze termicznej z substancja C.

pierwsza zasada termodynamiki jest w zasadzie stwierdzeniem prawa zachowania energii. Stwierdza, że ​​zmiana energii wewnętrznej układu jest równa różnicy między energią cieplną przekazaną do układu a pracą wykonaną przez układ na jego otoczeniu.

druga zasada termodynamiki, czasami określane jako prawo, które implikuje strzałkę czasu – stwierdza, że ​​całkowita entropia w układzie zamkniętym może pozostać stała lub wzrastać wraz z upływem czasu. Entropia może być postrzegana luźno jako miara nieuporządkowania systemu, a prawo to można sobie wyobrazić luźno jako stwierdzenie, że „rzeczy mają tendencję do mieszania się ze sobą, im bardziej nimi wstrząsasz, w przeciwieństwie do rozmieszanie”.

trzecia zasada termodynamiki stwierdza, że ​​entropia systemu zbliża się do wartości stałej, gdy temperatura systemu zbliża się do zera absolutnego. Ponieważ w punkcie zera absolutnego nie ma ruchu molekularnego, sensowne jest, aby entropia w tym momencie się nie zmieniła.

Termodynamika wykorzystuje mechanikę statystyczną. Jest to gałąź fizyki, która stosuje statystykę zarówno w fizyce klasycznej, jak i kwantowej.

Mechanika statystyczna pozwala naukowcom pracować z wielkościami makroskopowymi w prostszy sposób niż z wielkościami mikroskopowymi. Weźmy na przykład temperaturę. Definiuje się ją jako średnią energię kinetyczną na cząsteczkę w substancji.

Co by było, gdyby zamiast tego trzeba było określić rzeczywistą energię kinetyczną każdej cząsteczki, a co więcej, śledzić każde zderzenie między cząsteczkami? Poczynienie jakichkolwiek postępów byłoby prawie niemożliwe. Zamiast tego stosuje się techniki statystyczne, które pozwalają zrozumieć temperaturę, pojemność cieplną itd. jako większe właściwości materiału.

Te właściwości opisują przeciętne zachowanie zachodzące w materiale. To samo dotyczy wielkości takich jak ciśnienie i entropia.

ZA silnik cieplny to system termodynamiczny, który zamienia energię cieplną na energię mechaniczną. Silniki parowe są przykładem silnika cieplnego. Działają przy użyciu wysokiego ciśnienia do poruszania tłokiem.

Silniki cieplne działają w jakimś pełnym cyklu. Mają jakieś źródło ciepła, które zwykle nazywa się kąpielą cieplną, które pozwala im pobierać energię cieplną. Ta energia cieplna powoduje następnie pewną zmianę termodynamiczną w systemie, taką jak wzrost ciśnienia lub rozprężanie gazu.

Kiedy gaz rozszerza się, działa na środowisko. Czasami wygląda to na ruch tłoka w silniku. Pod koniec cyklu chłodna kąpiel jest używana do przywrócenia systemu do punktu wyjścia.

Silniki cieplne pobierają energię cieplną, wykorzystują ją do wykonywania użytecznej pracy, a następnie wydzielają lub tracą część energii cieplnej do otoczenia podczas procesu. wydajność silnika cieplnego definiuje się jako stosunek wydajności pracy użytecznej do wkładu cieplnego netto.

Nic dziwnego, że naukowcy i inżynierowie chcą, aby ich silniki cieplne były jak najbardziej wydajne – przekształcając maksymalne ilości energii cieplnej w użyteczną pracę. Można by pomyśleć, że najbardziej wydajny silnik cieplny może być w 100 procentach wydajny, ale jest to niepoprawne.

W rzeczywistości istnieje granica maksymalnej wydajności silnika cieplnego. Wydajność zależy nie tylko od rodzaju procesy w cyklu, nawet wtedy, gdy jest to najlepsze z możliwych procesy (takich, które są odwracalne), najbardziej wydajny silnik cieplny może być uzależniony od względnej różnicy temperatur między kąpielą grzewczą a kąpielą chłodzącą.

Ta maksymalna sprawność nazywana jest sprawnością Carnota i jest to sprawność a Cykl Carnota, czyli cykl silnika cieplnego składający się z całkowicie odwracalnego procesy.

Istnieje wiele zastosowań termodynamiki do: procesy widziane w życiu codziennym. Weźmy na przykład lodówkę. Lodówka działa poza cyklem termodynamicznym.

Najpierw sprężarka kompresuje parę czynnika chłodniczego, co powoduje wzrost ciśnienia i wpycha ją do wężownic znajdujących się na zewnątrz tylnej części lodówki. Jeśli poczujesz te cewki, będą ciepłe w dotyku.

Otaczające powietrze powoduje ich ochłodzenie, a gorący gaz zamienia się z powrotem w ciecz. Ciecz ta schładza się pod wysokim ciśnieniem, przepływając do wężownic wewnątrz lodówki, pochłaniając ciepło i schładzając powietrze. Gdy jest wystarczająco gorący, ponownie odparowuje w gaz i wraca do sprężarki, a cykl się powtarza.

Na podobnych zasadach działają pompy ciepła, które mogą ogrzewać i chłodzić Twój dom.