Termodynamika: definícia, zákony a rovnice

Pre mnohých ľudí znie termodynamika ako nejaké strašidelné odvetvie fyziky, ktorému rozumejú iba inteligentní ľudia. Ale s určitými základnými znalosťami a trochou práce môže každý dať tejto oblasti štúdia zmysel.

Termodynamika je odvetvie fyziky, ktoré skúma dianie vo fyzikálnych systémoch v dôsledku prenosu tepelnej energie. Na jeho vývoji sa podieľali fyzici od Sadi Carnota po Rudolfa Clausiusa a Jamesa Clerka Maxwella po Maxa Plancka.

Slovo „termodynamika“ pochádza z gréckych koreňov termoska, čo znamená teplé alebo teplé, a dynamikos, čo znamená silný, hoci neskoršie interpretácie koreňa mu pripisujú význam akcie a pohybu. Termodynamika je v podstate štúdium tepelnej energie v pohybe.

Termodynamika sa zaoberá tým, ako môže byť tepelná energia generovaná a transformovaná na rôzne formy energie, ako je mechanická energia. Skúma tiež pojem poriadok a porucha vo fyzických systémoch, ako aj energetická účinnosť rôznych procesov.

Hlboké štúdium termodynamiky sa tiež veľmi spolieha na

Problém je však v tom, že nie je možné pozorovať a zohľadniť individuálne pôsobenie každej molekuly, takže sa namiesto toho používajú štatistické metódy, a to s veľkou presnosťou.

Niektoré základné práce súvisiace s termodynamikou boli vyvinuté už v 16. rokoch 20. storočia. Boyleov zákon, ktorý vypracoval Robert Boyle, určoval vzťah medzi tlakom a objemom, čo nakoniec viedlo k zákonu o ideálnom plyne v kombinácii s Charlesovým zákonom a zákonom Gay-Lussaca.

Až v roku 1798 gróf Rumford (alias Sir Benjamin Thompson) chápal teplo ako formu energie. Zistil, že generované teplo bolo úmerné práci vykonanej pri sústružení vyvrtávacieho nástroja.

Na začiatku 19. storočia vykonal francúzsky vojenský inžinier Sadi Carnot značné práce vývoj koncepcie cyklu tepelného motora, ako aj myšlienky reverzibility v termodynamike procesu. (Niektoré procesy fungujú rovnako dobre dozadu, ako aj včasne; tieto procesy sa nazývajú reverzibilné. Mnoho ďalších procesov funguje iba jedným smerom.)

Carnotova práca viedla k vývoju parného stroja.

Neskôr Rudolf Clausius formuloval prvý a druhý zákon termodynamiky, ktoré sú opísané ďalej v tomto článku. Pole termodynamiky sa rýchlo rozvíjalo v 18. rokoch, keď inžinieri pracovali na zefektívňovaní parných strojov.

Medzi termodynamické vlastnosti a veličiny patria:

• Zahrejte, čo je energia prenášaná medzi objektmi pri rôznych teplotách.
• Teplota, ktorá je mierou priemernej kinetickej energie na molekulu v látke.
• Vnútorná energia, čo je súčet molekulovej kinetickej energie a potenciálnej energie v sústave molekúl.
• Tlak, ktorá je mierou sily na jednotku plochy na nádobe, v ktorej je uložená látka.
• Objem je trojrozmerný priestor, ktorý látka zaberá.
• Microstates sú stavy, v ktorých sa nachádzajú jednotlivé molekuly.
• Makrostáty sú väčšie stavy, v ktorých sa nachádzajú zbierky molekúl.
• Entropia je mierou poruchy látky. Je matematicky definovaná z hľadiska mikrostavov alebo ekvivalentne z hľadiska zmien tepla a teploty.

Pri štúdiu termodynamiky sa používa veľa rôznych vedeckých výrazov. V záujme zjednodušenia vlastného vyšetrovania je tu uvedený zoznam definícií bežne používaných výrazov:

• Tepelná rovnováha alebo termodynamická rovnováha: Stav, v ktorom sú všetky časti uzavretého systému pri rovnakej teplote.
• Absolútna nula Kelvina: Kelvin je jednotka SI pre teplotu. Najnižšia hodnota na tejto stupnici je nula alebo absolútna nula. Je to najchladnejšia možná teplota.
• Termodynamický systém: Akýkoľvek uzavretý systém, ktorý obsahuje interakcie a výmeny tepelnej energie.
• Izolovaný systém: Systém, ktorý nedokáže vymeniť energiu s ničím mimo neho.
• Tepelná energia alebo tepelná energia: Existuje veľa rôznych foriem energie; medzi nimi je tepelná energia, čo je energia spojená s kinetickým pohybom molekúl v systéme.
• Gibbsova voľná energia: Termodynamický potenciál, ktorý sa používa na určenie maximálneho množstva reverzibilnej práce v systéme.
• Špecifická tepelná kapacita: Množstvo tepelnej energie potrebnej na zmenu teploty jednotkovej hmotnosti látky o 1 stupeň. Závisí to od typu látky a je to číslo, ktoré sa zvyčajne vyhľadáva v tabuľkách.
• Ideálny plyn: Zjednodušený model plynov, ktorý platí pre väčšinu plynov pri štandardnej teplote a tlaku. Predpokladá sa, že samotné molekuly plynu sa zrazia v dokonale elastických zrážkach. Tiež sa predpokladá, že molekuly sú od seba dosť vzdialené, aby s nimi bolo možné zaobchádzať ako s bodovými hmotami.

Existujú tri hlavné zákony termodynamiky (nazýva sa prvý zákon, druhý zákon a tretí zákon), ale existuje aj zákon nula. Tieto zákony sú opísané nasledovne:

The nulový zákon termodynamiky je asi najintuitívnejšie. Uvádza sa v ňom, že ak je látka A v tepelnej rovnováhe s látkou B, a látka B je v tepelnej rovnováhe rovnováha s látkou C, potom vyplýva, že látka A musí byť v tepelnej rovnováhe s látka C.

The prvý zákon termodynamiky je v podstate vyjadrením zákona o zachovaní energie. Uvádza sa v ňom, že zmena vnútornej energie systému sa rovná rozdielu medzi tepelnou energiou prenášanou do systému a prácou, ktorú systém vykonáva na svojom okolí.

The druhý zákon termodynamiky, niekedy označovaný ako zákon naznačujúci šípku času - uvádza, že celková entropia v uzavretom systéme môže zostať konštantná alebo sa môže zvyšovať iba pri postupe času vpred. Entropiu možno voľne považovať za mieru poruchy systému a tento zákon možno považovať za entropiu voľne hovoriac, že ​​„veci majú tendenciu sa zmiešať, tým viac nimi zatrasiete, na rozdiel od toho nemiešanie. “

The tretí zákon termodynamiky uvádza, že entropia systému sa blíži ku konštantnej hodnote, keď sa teplota systému blíži k absolútnej nule. Pretože pri absolútnej nule nedochádza k žiadnemu molekulárnemu pohybu, má zmysel, že entropia by sa v tomto bode nezmenila.

Termodynamika využíva štatistickú mechaniku. Toto je odvetvie fyziky, ktoré aplikuje štatistiku na klasickú aj kvantovú fyziku.

Štatistická mechanika umožňuje vedcom pracovať s makroskopickými veličinami priamočiarejšie ako s mikroskopickými veličinami. Zvážte napríklad teplotu. Je definovaná ako priemerná kinetická energia na molekulu v látke.

Čo keby ste namiesto toho potrebovali určiť skutočnú kinetickú energiu každej molekuly a okrem toho sledovať každú kolíziu medzi molekulami? Je takmer nemožné dosiahnuť pokrok. Namiesto toho sa používajú štatistické techniky, ktoré umožňujú pochopiť teplotu, tepelnú kapacitu atď. Ako väčšie vlastnosti materiálu.

Tieto vlastnosti popisujú priemerné správanie prebiehajúce v materiáli. To isté platí pre veličiny ako tlak a entropia.

A tepelný motor je termodynamický systém, ktorý premieňa tepelnú energiu na mechanickú. Parné stroje sú príkladom tepelného motora. Pracujú pomocou vysokého tlaku na pohyb piestu.

Tepelné motory pracujú v akomsi úplnom cykle. Majú nejaký druh zdroja tepla, ktorý sa zvyčajne nazýva tepelný kúpeľ, ktorý im umožňuje prijímať tepelnú energiu. Táto tepelná energia potom spôsobuje v systéme určité termodynamické zmeny, ako napríklad zvyšovanie tlaku alebo rozpínanie plynu.

Keď sa plyn rozpína, funguje na životnom prostredí. Niekedy to vyzerá tak, že sa piest pohybuje v motore. Na konci cyklu sa ochladením vráti systém do východiskového bodu.

Tepelné motory prijímajú tepelnú energiu, využívajú ju na vykonávanie užitočnej práce a potom tiež počas procesu vydávajú alebo strácajú určitú tepelnú energiu pre životné prostredie. The efektívnosť tepelného motora je definovaný ako pomer užitočného pracovného výkonu k čistému tepelnému príkonu.

Nie je prekvapením, že vedci a inžinieri chcú, aby ich tepelné motory boli čo najefektívnejšie - premieňali maximálne množstvo vstupnej tepelnej energie na užitočnú prácu. Možno si myslíte, že najefektívnejší tepelný motor môže byť stopercentne efektívny, ale je to nesprávne.

V skutočnosti existuje obmedzenie maximálnej účinnosti tepelného motora. Účinnosť závisí nielen od typu procesy v cykle, aj keď je to najlepšie možné procesy (tie, ktoré sú reverzibilné), najefektívnejší, aký tepelný motor môže byť, závisí od relatívneho rozdielu teplôt medzi tepelným kúpeľom a studeným kúpeľom.

Táto maximálna účinnosť sa nazýva Carnotova účinnosť a je to účinnosť a Carnotov cyklus, čo je cyklus tepelného motora zložený z úplne reverzibilného procesy.

Existuje mnoho aplikácií termodynamiky procesy vidieť v každodennom živote. Vezmite si napríklad chladničku. Chladnička pracuje mimo termodynamického cyklu.

Najskôr kompresor komprimuje výpary chladiva, ktoré spôsobujú zvýšenie tlaku a tlačí ich dopredu do cievok umiestnených na vonkajšej zadnej strane chladničky. Ak tieto cievky cítite, budú na dotyk teplé.

Okolitý vzduch spôsobuje ich ochladenie a horúci plyn sa premení späť na kvapalinu. Táto kvapalina sa ochladzuje pri vysokom tlaku, keď prúdi do špirál vo vnútri chladničky, absorbuje teplo a ochladzuje vzduch. Akonáhle je dostatočne horúci, odparí sa opäť na plyn a vráti sa späť do kompresora. Cyklus sa opakuje.

Na podobných princípoch fungujú aj tepelné čerpadlá, ktoré dokážu vykurovať a chladiť váš dom.