Termodinamika: definicija, zakoni in enačbe

Za mnoge ljudi termodinamika zveni kot neka strašljiva veja fizike, ki jo lahko razumejo le pametni ljudje. Toda z nekaj temeljnega znanja in malo dela lahko to področje študija osmisli vsak.

Termodinamika je veja fizike, ki raziskuje dogajanje v fizičnih sistemih zaradi prenosa toplotne energije. Pri razvoju so morali sodelovati fiziki od Sadija Carnota do Rudolfa Clausiusa in Jamesa Clerka Maxwella do Maxa Plancka.

Beseda "termodinamika" prihaja iz grških korenin termos, kar pomeni vroče ali toplo, in dynamikos, kar pomeni močno, čeprav mu kasnejše interpretacije korena pripisujejo pomen dejanja in gibanja. V bistvu je termodinamika preučevanje toplotne energije v gibanju.

Termodinamika se ukvarja s tem, kako lahko toplotno energijo ustvarimo in pretvorimo v različne oblike energije, kot je mehanska energija. Prav tako raziskuje pojem reda in neurejenosti v fizičnih sistemih ter energetsko učinkovitost različnih procesov.

Tudi globoka študija termodinamike je močno odvisna od tega

Težava pa je v tem, da je nemogoče opazovati in upoštevati posamezno delovanje vsake molekule, zato se namesto tega uporabljajo statistične metode in z veliko natančnostjo.

Nekatera temeljna dela, povezana s termodinamiko, so bila razvita že v 1600-ih. Boyleov zakon, ki ga je razvil Robert Boyle, je določal razmerje med tlakom in prostornino, kar je na koncu privedlo do zakona o idealnem plinu v kombinaciji s Charlesovim zakonom in Gay-Lussacovim zakonom.

Šele leta 1798 je grof Rumford (alias sir Benjamin Thompson) toploto razumel kot obliko energije. Opazil je, da je proizvedena toplota sorazmerna z delom pri vrtenju dolgočasnega orodja.

V začetku 19. stoletja je francoski vojaški inženir Sadi Carnot opravil veliko dela v razvoj koncepta cikla toplotnega motorja, pa tudi ideje o reverzibilnosti v termodinamiki proces. (Nekateri procesi delujejo enako dobro nazaj v času kot naprej v času; ti procesi se imenujejo reverzibilni. Številni drugi procesi delujejo samo v eno smer.)

Carnotovo delo je privedlo do razvoja parnega stroja.

Kasneje je Rudolf Clausius oblikoval prvi in ​​drugi zakon termodinamike, ki sta opisana kasneje v tem članku. Področje termodinamike se je v 19. stoletju hitro razvijalo, ko so inženirji delali, da so parni stroji postali bolj učinkoviti.

Termodinamične lastnosti in količine vključujejo naslednje:

• Vročina, ki je energija, ki se prenaša med predmeti pri različnih temperaturah.
• Temperatura, ki je merilo povprečne kinetične energije na molekulo v snovi.
• Notranja energija, ki je vsota molekularne kinetične energije in potencialne energije v sistemu molekul.
• Pritisk, ki je merilo sile na enoto površine na posodi, v kateri je snov.
• Glasnost je tridimenzionalni prostor, ki ga snov zavzame.
• Mikrostanja so stanja, v katerih so posamezne molekule.
• Makrostati so večja stanja, v katerih so zbirke molekul.
• Entropija je merilo motnje v snovi. Matematično je opredeljen v smislu mikrostanov ali, kar je enako, v smislu sprememb toplote in temperature.

Pri proučevanju termodinamike se uporablja veliko različnih znanstvenih izrazov. Za poenostavitev lastnih preiskav je tukaj seznam definicij pogosto uporabljenih izrazov:

• Toplotno ravnovesje ali termodinamično ravnovesje: Stanje, v katerem so vsi deli zaprtega sistema na isti temperaturi.
• Absolutna nič Kelvina: Kelvin je SI enota za temperaturo. Najnižja vrednost na tej lestvici je nič ali absolutna ničla. To je najhladnejša možna temperatura.
• Termodinamični sistem: Vsak zaprt sistem, ki vsebuje interakcije in izmenjave toplotne energije.
• Izoliran sistem: Sistem, ki ne more izmenjati energije z ničemer zunaj sebe.
• Toplotna ali toplotna energija: Obstaja veliko različnih oblik energije; med njimi je toplotna energija, ki je energija, povezana s kinetičnim gibanjem molekul v sistemu.
• Gibbsova prosta energija: Termodinamični potencial, ki se uporablja za določitev največje količine reverzibilnega dela v sistemu.
• Specifična toplotna zmogljivost: Količina toplotne energije, potrebna za spremembo temperature enote mase snovi za 1 stopinjo. Odvisno od vrste snovi in ​​je število, ki ga običajno poiščemo v tabelah.
• Idealen plin: Poenostavljeni model plinov, ki velja za večino plinov pri standardni temperaturi in tlaku. Predpostavlja se, da same molekule plina trčijo v popolnoma elastičnih trkih. Predpostavlja se tudi, da so molekule med seboj dovolj oddaljene, da jih je mogoče obravnavati kot točkovne mase.

Obstajajo trije glavni zakoni termodinamike (imenovan prvi zakon, drugi zakon in tretji zakon), obstaja pa tudi ničelni zakon. Ti zakoni so opisani na naslednji način:

The ničelni zakon termodinamike je verjetno najbolj intuitiven. Navaja, da če je snov A v toplotnem ravnovesju s snovjo B, snov B pa v toplotnem ravnovesje s snovjo C, potem izhaja, da mora biti snov A v toplotnem ravnovesju z snov C.

The prvi zakon termodinamike je v bistvu izjava zakona o ohranjanju energije. Navaja, da je sprememba notranje energije sistema enaka razliki med toplotno energijo, ki se prenaša v sistem, in delom, ki ga sistem opravi na svoji okolici.

The drugi zakon termodinamike, včasih imenovan tudi zakon, ki pomeni puščico časa - navaja, da lahko celotna entropija v zaprtem sistemu ostane konstantna ali narašča s časom naprej. Na entropijo lahko mislimo ohlapno kot na merilo neurejenosti sistema in na ta zakon ohlapno kot izjavo, da se »stvari navadno mešajo, bolj ko jih pretreseš, v nasprotju s tem mešanje. "

The tretji zakon termodinamike navaja, da se entropija sistema približa konstantni vrednosti, ko se temperatura sistema približa absolutni ničli. Ker pri absolutni ničli ni molekularnega gibanja, je smiselno, da se entropija na tej točki ne bi spremenila.

Termodinamika uporablja statistično mehaniko. To je veja fizike, ki uporablja statistiko tako za klasično kot kvantno fiziko.

Statistična mehanika omogoča znanstvenikom, da delajo z makroskopskimi količinami bolj preprosto kot z mikroskopskimi količinami. Upoštevajte na primer temperaturo. Opredeljena je kot povprečna kinetična energija na molekulo v snovi.

Kaj če bi namesto tega morali določiti dejansko kinetično energijo posamezne molekule in še več, slediti vsakemu trku med molekulami? Skoraj nemogoče bi bilo napredovati. Namesto tega se uporabljajo statistične tehnike, ki omogočajo razumevanje temperature, toplotne zmogljivosti in tako naprej kot večje lastnosti materiala.

Te lastnosti opisujejo povprečno vedenje v materialu. Enako velja za količine, kot sta tlak in entropija.

A toplotni motor je termodinamični sistem, ki toplotno energijo pretvarja v mehansko. Parni motorji so primer toplotnega stroja. Delujejo tako, da za premikanje bata uporabljajo visok pritisk.

Toplotni motorji delujejo na nek celoten cikel. Imajo nekakšen vir toplote, ki se mu običajno reče toplotna kopel, ki jim omogoča, da prevzamejo toplotno energijo. Ta toplotna energija nato povzroči neke vrste termodinamične spremembe v sistemu, na primer povečanje tlaka ali širjenje plina.

Ko se plin razširi, deluje na okolje. Včasih je to videti, kot da povzroči, da se bat premika v motorju. Na koncu cikla se s hladno kopeljo sistem vrne na izhodišče.

Toplotni motorji prevzamejo toplotno energijo, jo uporabijo za koristno delo, nato pa med postopkom oddajajo ali izgubljajo nekaj toplotne energije v okolje. The učinkovitost toplotnega stroja je opredeljeno kot razmerje med uporabno delovno močjo in neto vloženo toploto.

Ni presenetljivo, da znanstveniki in inženirji želijo, da so njihovi toplotni stroji čim bolj učinkoviti - pretvarjajo največjo količino vložene toplotne energije v koristno delo. Morda mislite, da je najučinkovitejši toplotni stroj 100-odstoten, vendar to ni pravilno.

Dejansko obstaja omejitev največjega izkoristka toplotnega stroja. Ne samo, da je učinkovitost odvisna od vrste procesov v ciklu, tudi kadar je najboljše mogoče procesov (tiste, ki so reverzibilne), je najučinkovitejši toplotni stroj lahko odvisen od relativne razlike v temperaturah med toplo in hladno kopeljo.

Ta največja učinkovitost se imenuje Carnotova učinkovitost in je učinkovitost a Carnotov cikel, ki je v celoti reverzibilen cikel toplotnih motorjev procesov.

Termodinamika ima veliko aplikacij za procesov videl v vsakdanjem življenju. Vzemite na primer svoj hladilnik. Hladilnik deluje iz termodinamičnega cikla.

Najprej kompresor stisne pare hladilnega sredstva, kar povzroči dvig tlaka in ga potisne naprej v tuljave, ki se nahajajo na zunanji strani hladilnika. Če občutite te tuljave, se bodo na dotik počutile toplo.

Zrak v okolici se ohladi, vroč plin pa se spremeni v tekočino. Ta tekočina se pri visokem tlaku ohladi, ko teče v tuljave v hladilniku, absorbira toploto in hladi zrak. Ko je dovolj vroč, spet izpari v plin in gre nazaj v kompresor, cikel pa se ponovi.

Toplotne črpalke, ki lahko ogrevajo in hladijo vašo hišo, delujejo na podobnih principih.