Термодинамика: определение, законы и уравнения

Для многих термодинамика звучит как какой-то пугающий раздел физики, который могут понять только умные люди. Но, обладая некоторыми фундаментальными знаниями и немного поработав, каждый сможет разобраться в этой области исследования.

Термодинамика - это раздел физики, изучающий происходящее в физических системах за счет передачи тепловой энергии. Физики от Сади Карно до Рудольфа Клаузиуса и Джеймса Клерка Максвелла до Макса Планка приложили руку к его разработке.

Слово «термодинамика» происходит от греческих корней. термос, что означает горячий или теплый, и динамик, что означает мощный, хотя более поздние интерпретации корня приписывают ему значение действия и движения. По сути, термодинамика - это изучение тепловой энергии в движении.

Термодинамика изучает, как тепловая энергия может быть произведена и преобразована в различные формы энергии, такие как механическая энергия. Также исследуются понятия порядка и беспорядка в физических системах, а также энергоэффективность различных процессов.

Глубокое изучение термодинамики также во многом опирается на статистическая механика чтобы понять кинетическую теорию и так далее. Основная идея состоит в том, что термодинамические процессы можно понять с точки зрения того, что делают все маленькие молекулы в системе.

Проблема, однако, в том, что невозможно наблюдать и учитывать индивидуальное действие каждой молекулы, поэтому вместо этого применяются статистические методы, причем с большой точностью.

Некоторые фундаментальные работы, связанные с термодинамикой, были разработаны еще в 1600-х годах. Закон Бойля, разработанный Робертом Бойлем, определил соотношение между давлением и объемом, что в конечном итоге привело к закону идеального газа в сочетании с законом Шарля и законом Гей-Люссака.

Лишь в 1798 году тепло считалось формой энергии графом Рамфордом (он же сэр Бенджамин Томпсон). Он заметил, что выделяемое тепло пропорционально работе, проделанной при токарной обработке расточного инструмента.

В начале 1800-х годов французский военный инженер Сади Карно проделал значительный объем работ в разработка концепции цикла тепловой машины, а также идеи обратимости в термодинамике. процесс. (Некоторые процессы работают как назад во времени, так и вперед во времени; эти процессы называются обратимыми. Многие другие процессы работают только в одном направлении.)

Работа Карно привела к разработке паровой машины.

Позже Рудольф Клаузиус сформулировал первый и второй законы термодинамики, которые описаны далее в этой статье. Область термодинамики быстро развивалась в 1800-х годах, когда инженеры работали над повышением эффективности паровых двигателей.

Термодинамические свойства и количества включают следующее:

• Нагревать, которая представляет собой энергию, передаваемую между объектами при разных температурах.
• Температура, которая является мерой средней кинетической энергии на молекулу в веществе.
• Внутренняя энергия, которая представляет собой сумму молекулярной кинетической энергии и потенциальной энергии в системе молекул.
• Давление, который является мерой силы, действующей на единицу площади контейнера, в котором находится вещество.
• Объем это трехмерное пространство, которое занимает вещество.
• Микрогосударства состояния, в которых находятся отдельные молекулы.
• Макросостояния являются более крупными состояниями, в которых находятся коллекции молекул.
• Энтропия является мерой беспорядка в веществе. Математически он определяется в терминах микросостояний или, что эквивалентно, в терминах изменений тепла и температуры.

При изучении термодинамики используется множество различных научных терминов. Чтобы упростить ваши собственные исследования, вот список определений часто используемых терминов:

• Тепловое равновесие или термодинамическое равновесие: Состояние, в котором все части закрытой системы имеют одинаковую температуру.
• Абсолютный ноль Кельвина: Кельвин - это единица СИ для температуры. Наименьшее значение на этой шкале - ноль или абсолютный ноль. Это максимально низкая температура.
• Термодинамическая система: Любая замкнутая система, которая содержит взаимодействия и обмен тепловой энергией.
• Изолированная система: Система, которая не может обмениваться энергией ни с чем за ее пределами.
• Тепловая энергия или тепловая энергия: Есть много разных форм энергии; Среди них тепловая энергия, которая представляет собой энергию, связанную с кинетическим движением молекул в системе.
• Свободная энергия Гиббса: Термодинамический потенциал, который используется для определения максимального количества обратимой работы в системе.
• Удельная теплоемкость: Количество тепловой энергии, необходимое для изменения температуры единицы массы вещества на 1 градус. Это зависит от типа вещества и обычно отображается в таблицах.
• Идеальный газ: Упрощенная модель газов, применимая к большинству газов при стандартной температуре и давлении. Предполагается, что сами молекулы газа сталкиваются в совершенно упругих столкновениях. Также предполагается, что молекулы находятся достаточно далеко друг от друга, чтобы их можно было рассматривать как точечные массы.

Есть три основных законы термодинамики (называется первым законом, вторым законом и третьим законом), но есть также нулевой закон. Эти законы описываются следующим образом:

В нулевой закон термодинамики наверное, самый интуитивно понятный. Он утверждает, что если вещество A находится в тепловом равновесии с веществом B, а вещество B находится в тепловом равновесии равновесие с веществом C, то из этого следует, что вещество A должно находиться в тепловом равновесии с вещество C.

В первый закон термодинамики по сути, это утверждение закона сохранения энергии. В нем говорится, что изменение внутренней энергии системы равно разнице между тепловой энергией, передаваемой в систему, и работой, выполняемой системой в своем окружении.

В второй закон термодинамики, иногда называемый законом, который подразумевает стрелу времени - утверждает, что полная энтропия в замкнутой системе может только оставаться постоянной или увеличиваться с течением времени. Энтропию можно в общих чертах рассматривать как меру неупорядоченности системы, и этот закон можно считать в общих чертах, как утверждение, что «чем больше вы встряхиваете, тем больше вещи, как правило, смешиваются друг с другом, в отличие от размешивание ».

В третий закон термодинамики утверждает, что энтропия системы приближается к постоянному значению, когда температура системы приближается к абсолютному нулю. Поскольку при абсолютном нуле движение молекул отсутствует, имеет смысл, что энтропия не изменится в этой точке.

Термодинамика использует статистическую механику. Это раздел физики, который применяет статистику как к классической, так и к квантовой физике.

Статистическая механика позволяет ученым работать с макроскопическими величинами более просто, чем с микроскопическими величинами. Рассмотрим, например, температуру. Он определяется как средняя кинетическая энергия, приходящаяся на молекулу вещества.

Что, если вместо этого вам нужно определить реальную кинетическую энергию каждой молекулы и, более того, отслеживать каждое столкновение между молекулами? Было бы почти невозможно добиться прогресса. Вместо этого используются статистические методы, которые позволяют понять температуру, теплоемкость и т. Д. Как более крупные свойства материала.

Эти свойства описывают среднее поведение материала. То же самое и с такими величинами, как давление и энтропия.

А Тепловой двигатель это термодинамическая система, преобразующая тепловую энергию в механическую. Паровые двигатели - это пример теплового двигателя. Они работают, используя высокое давление для перемещения поршня.

Тепловые двигатели работают по некоему полному циклу. У них есть своего рода источник тепла, который обычно называют тепловой ванной, который позволяет им поглощать тепловую энергию. Затем эта тепловая энергия вызывает какие-то термодинамические изменения в системе, такие как повышение давления или расширение газа.

Когда газ расширяется, он воздействует на окружающую среду. Иногда это выглядит как движение поршня в двигателе. В конце цикла используется холодная ванна, чтобы вернуть систему в исходную точку.

Тепловые двигатели поглощают тепловую энергию, используют ее для выполнения полезной работы, а затем также выделяют или теряют часть тепловой энергии в окружающую среду во время процесса. В эффективность тепловой машины определяется как отношение полезной работы к полезному тепловложению.

Неудивительно, что ученые и инженеры хотят, чтобы их тепловые двигатели были максимально эффективными - они преобразовывали максимальное количество тепловой энергии в полезную работу. Вы можете подумать, что самый эффективный тепловой двигатель может быть на 100 процентов, но это неверно.

Фактически, есть предел максимальной эффективности теплового двигателя. Не только эффективность зависит от типа процессы в цикле, даже когда наилучшим образом процессы (те, которые являются обратимыми), наиболее эффективная тепловая машина может быть зависит от относительной разницы температур между тепловой ванной и охлаждающей ванной.

Этот максимальный КПД называется КПД Карно, и это КПД Цикл Карно, представляющий собой цикл тепловой машины, состоящий из полностью обратимых процессы.

Есть много приложений термодинамики к процессы видели в повседневной жизни. Возьмем, к примеру, ваш холодильник. Холодильник работает вне термодинамического цикла.

Сначала компрессор сжимает пар хладагента, что вызывает повышение давления и толкает его вперед в змеевики, расположенные на внешней стороне задней стенки холодильника. Если вы почувствуете эти катушки, они будут теплыми на ощупь.

Окружающий воздух заставляет их охлаждаться, и горячий газ снова превращается в жидкость. Эта жидкость охлаждается под высоким давлением, когда она течет в змеевики внутри холодильника, поглощая тепло и охлаждая воздух. Когда он становится достаточно горячим, он снова испаряется в газ и возвращается в компрессор, и цикл повторяется.

Тепловые насосы, которые могут обогревать и охлаждать ваш дом, работают по аналогичным принципам.