Termodinamică: definiție, legi și ecuații

Pentru mulți oameni, termodinamica sună ca o ramură înfricoșătoare a fizicii pe care numai oamenii deștepți o pot înțelege. Dar, cu niște cunoștințe fundamentale și un pic de muncă, oricine poate da sens acestui domeniu de studiu.

Termodinamica este o ramură a fizicii care explorează evenimentele din sistemele fizice datorate transferului de energie termică. Fizicienii de la Sadi Carnot la Rudolf Clausius și James Clerk Maxwell la Max Planck au avut cu toții o mână în dezvoltarea sa.

Cuvântul „termodinamică” provine din rădăcinile grecești termos, adică cald sau cald, și dynamikos, adică puternic, deși interpretările ulterioare ale rădăcinii îi atribuie sensul acțiunii și al mișcării. În esență, termodinamica este studiul energiei termice în mișcare.

Termodinamica se ocupă de modul în care energia termică poate fi generată și transformată în diferite forme de energie, cum ar fi energia mecanică. De asemenea, explorează noțiunea de ordine și tulburare în sistemele fizice, precum și eficiența energetică a diferitelor procese.

Un studiu profund al termodinamicii se bazează, de asemenea, foarte mult pe mecanica statistică pentru a înțelege teoria cinetică și așa mai departe. Ideea de bază este că procesele termodinamice pot fi înțelese în ceea ce privește ceea ce fac toate micile molecule dintr-un sistem.

Cu toate acestea, problema este că este imposibil să observăm și să explicăm acțiunea individuală a fiecărei molecule, astfel încât metodele statistice sunt aplicate în schimb și cu o mare acuratețe.

Unele lucrări fundamentale legate de termodinamică au fost dezvoltate încă din anii 1600. Legea lui Boyle, dezvoltată de Robert Boyle, a determinat relația dintre presiune și volum, care a dus în cele din urmă la legea ideală a gazelor atunci când a fost combinată cu legea lui Charles și legea lui Gay-Lussac.

Abia în 1798 căldura a fost înțeleasă ca o formă de energie de către contele Rumford (alias Sir Benjamin Thompson). El a observat că căldura generată este proporțională cu munca depusă la strunjirea unui instrument plictisitor.

La începutul anilor 1800, inginerul militar francez Sadi Carnot a făcut o muncă considerabilă în dezvoltarea conceptului de ciclu al motorului termic, precum și ideea de reversibilitate într-un sistem termodinamic proces. (Unele procese funcționează la fel de bine înapoi în timp ca înainte în timp; aceste procese sunt numite reversibile. Multe alte procese funcționează doar într-o singură direcție.)

Munca lui Carnot a dus la dezvoltarea motorului cu aburi.

Mai târziu, Rudolf Clausius a formulat prima și a doua lege a termodinamicii, care sunt descrise mai târziu în acest articol. Domeniul termodinamicii a evoluat rapid în anii 1800, pe măsură ce inginerii au lucrat pentru a face motoarele cu aburi mai eficiente.

Proprietățile și cantitățile termodinamice includ următoarele:

• Căldură, care este energia transferată între obiecte la diferite temperaturi.
• Temperatura, care este o măsură a energiei cinetice medii pe moleculă dintr-o substanță.
• Energie interna, care este suma energiei cinetice moleculare și a energiei potențiale dintr-un sistem de molecule.
• Presiune, care este o măsură a forței pe unitate de suprafață pe un container care găzduiește o substanță.
• Volum este spațiul tridimensional pe care o substanță îl ocupă.
• Microstate sunt stările în care se află moleculele individuale.
• Macrostate sunt stările mai mari în care se află colecțiile de molecule.
• Entropie este o măsură a tulburării dintr-o substanță. Este definit matematic în termeni de microstate, sau echivalent, în termeni de schimbări de căldură și temperatură.

Mulți termeni științifici diferiți sunt folosiți în studiul termodinamicii. Pentru a vă simplifica investigațiile, iată o listă de definiții ale termenilor utilizați în mod obișnuit:

• Echilibru termic sau echilibru termodinamic: O stare în care toate părțile unui sistem închis se află la aceeași temperatură.
• Kelvin zero absolut: Kelvin este unitatea SI pentru temperatură. Cea mai mică valoare pe această scară este zero sau zero absolut. Este cea mai rece temperatură posibilă.
• Sistem termodinamic: Orice sistem închis care conține interacțiuni și schimburi de energie termică.
• Sistem izolat: Un sistem care nu poate face schimb de energie cu nimic din afara sa.
• Energie termică sau termică: Există multe forme diferite de energie; printre acestea se numără energia termică, care este energia asociată cu mișcarea cinetică a moleculelor dintr-un sistem.
• Energie liberă Gibbs: Un potențial termodinamic care este utilizat pentru a determina cantitatea maximă de lucru reversibil într-un sistem.
• Capacitate termică specifică: Cantitatea de energie termică necesară pentru a modifica temperatura unei unități de masă a unei substanțe cu 1 grad. Depinde de tipul de substanță și este un număr de obicei căutat în tabele.
• Gaz ideal: Un model simplificat de gaze care se aplică majorității gazelor la temperatura și presiunea standard. Se presupune că moleculele de gaz în sine se ciocnesc în coliziuni perfect elastice. Se presupune, de asemenea, că moleculele sunt destul de departe una de cealaltă încât să poată fi tratate ca mase punctiforme.

Există trei principale legile termodinamicii (numită prima lege, a doua lege și a treia lege), dar există și o lege zero. Aceste legi sunt descrise după cum urmează:

legea zero a termodinamicii este probabil cel mai intuitiv. Se afirmă că dacă substanța A este în echilibru termic cu substanța B, iar substanța B este în termic echilibru cu substanța C, apoi rezultă că substanța A trebuie să fie în echilibru termic cu substanța C.

prima lege a termodinamicii este practic o declarație a legii conservării energiei. Se afirmă că schimbarea energiei interne a unui sistem este egală cu diferența dintre energia termică transferată în sistem și munca depusă de sistem în împrejurimile sale.

a doua lege a termodinamicii, denumită uneori legea care implică o săgeată a timpului - afirmă că entropia totală într-un sistem închis poate rămâne constantă sau poate crește doar pe măsură ce timpul merge înainte. Entropia poate fi considerată vag ca o măsură a tulburării unui sistem, iar această lege poate fi gândită a afirmat în mod vag că „lucrurile tind să se amestece cu atât mai mult le scuturi, spre deosebire de fără amestecare ”.

a treia lege a termodinamicii afirmă că entropia unui sistem abordează o valoare constantă pe măsură ce temperatura unui sistem se apropie de zero absolut. Deoarece la zero absolut, nu există mișcare moleculară, are sens că entropia nu s-ar schimba în acel moment.

Termodinamica folosește mecanica statistică. Aceasta este o ramură a fizicii care aplică statistici atât fizicii clasice, cât și fizicii cuantice.

Mecanica statistică permite oamenilor de știință să lucreze cu cantități macroscopice într-o manieră mai simplă decât cu cantități microscopice. Luați în considerare temperatura, de exemplu. Este definită ca energia cinetică medie pe moleculă dintr-o substanță.

Ce se întâmplă dacă, în schimb, trebuie să determinați energia cinetică reală a fiecărei molecule și, mai mult decât atât, să urmăriți fiecare coliziune între molecule? Ar fi aproape imposibil să facem progrese. În schimb, sunt utilizate tehnici statistice care permit înțelegerea temperaturii, capacității termice și așa mai departe ca proprietăți mai mari ale unui material.

Aceste proprietăți descriu comportamentul mediu care se întâmplă în interiorul materialului. Același lucru este valabil și pentru cantități precum presiunea și entropia.

A motor termic este un sistem termodinamic care convertește energia termică în energie mecanică. Motoarele cu aburi sunt un exemplu de motor termic. Acestea funcționează folosind o presiune ridicată pentru a muta un piston.

Motoarele termice funcționează pe un fel de ciclu complet. Au un fel de sursă de căldură, numită de obicei baie de căldură, care le permite să preia energie termică. Această energie termică provoacă apoi un fel de schimbare termodinamică în sistem, cum ar fi creșterea presiunii sau extinderea unui gaz.

Când un gaz se extinde, acesta funcționează asupra mediului. Uneori, acest lucru pare să provoace mișcarea unui piston într-un motor. La sfârșitul unui ciclu, se utilizează o baie rece pentru a readuce sistemul la punctul său de plecare.

Motoarele termice consumă energie termică, o folosesc pentru a face lucrări utile și apoi degajă sau pierd o anumită energie termică pentru mediu în timpul procesului. eficienţă a unui motor termic este definit ca raportul dintre puterea de lucru utilă și puterea netă de căldură.

Nu este surprinzător că oamenii de știință și inginerii doresc ca motoarele lor termice să fie cât mai eficiente posibil - transformând cantitățile maxime de energie termică introduse în lucrări utile. S-ar putea să credeți că cel mai eficient ar putea fi un motor termic este 100% eficient, dar acest lucru este incorect.

De fapt, există o limită a randamentului maxim al unui motor termic. Nu numai că eficiența depinde de tipul de proceselor în ciclu, chiar și atunci când este cel mai bine posibil proceselor (cele care sunt reversibile) sunt utilizate, cel mai eficient motor de căldură poate fi depinde de diferența relativă de temperatură dintre baia de căldură și baia rece.

Această eficiență maximă se numește eficiența Carnot și este eficiența unui Ciclul Carnot, care este un ciclu al motorului termic format din complet reversibil proceselor.

Există multe aplicații ale termodinamicii în proceselor văzută în viața de zi cu zi. Luați frigiderul, de exemplu. Un frigider funcționează în afara unui ciclu termodinamic.

Mai întâi, un compresor comprimă vaporii de agent frigorific, ceea ce determină o creștere a presiunii și îl împinge înainte în bobine situate în partea din spate a frigiderului. Dacă simțiți aceste bobine, acestea se vor simți calde la atingere.

Aerul din jur le face să se răcească, iar gazul fierbinte se transformă din nou în lichid. Acest lichid se răcește la presiune ridicată în timp ce curge în bobine din frigider, absorbind căldura și răcind aerul. Odată suficient de fierbinte, se evaporă din nou în gaz și revine în compresor, iar ciclul se repetă.

Pompele de căldură, care vă pot încălzi și răcori casa, funcționează pe principii similare.