Термодинамика: дефиниција, закони и једначине

За многе људе термодинамика звучи као нека застрашујућа грана физике коју само паметни људи могу разумети. Али уз неко основно знање и мало рада, свако може да схвати смисао ове области студија.

Термодинамика је грана физике која истражује дешавања у физичким системима услед преноса топлотне енергије. Физичари од Садија Царнота до Рудолфа Цлаусиуса и Јамеса чиновника Маквелла до Мак Планцка сви су имали улогу у његовом развоју.

Реч „термодинамика“ потиче из грчких корена термос, што значи топло или топло, и динамикос, што значи моћно, мада му каснија тумачења корена приписују значење радње и покрета. У основи, термодинамика је проучавање топлотне енергије у покрету.

Термодинамика се бави начином на који се топлотна енергија може генерисати и трансформисати у различите облике енергије као што је механичка енергија. Такође истражује појам реда и нереда у физичким системима као и енергетску ефикасност различитих процеса.

Дубоко проучавање термодинамике такође се у великој мери ослања на

Проблем је, међутим, што је немогуће посматрати и објаснити појединачно деловање сваког молекула, па се уместо тога примењују статистичке методе и са великом тачношћу.

Неки темељни радови у вези са термодинамиком развијени су већ у 1600-има. Бојлов закон, који је развио Роберт Боиле, одредио је однос између притиска и запремине, што је на крају довело до закона о идеалном гасу у комбинацији са Цхарлесовим законом и Гаи-Луссац-овим законом.

Тек 1798. гроф Румфорд (звани Сир Бењамин Тхомпсон) врућину је схватио као облик енергије. Приметио је да је произведена топлота пропорционална послу обављеном на окретању досадног алата.

Почетком 1800-их француски војни инжењер Сади Царнот обавио је значајан посао у развијање концепта циклуса топлотних мотора, као и идеје о реверзибилности у термодинамичкој процес. (Неки процеси раде једнако добро уназад у времену као и унапред у времену; ти процеси се називају реверзибилним. Многи други процеси раде само у једном смеру.)

Царнотов рад је довео до развоја парне машине.

Касније је Рудолф Клаусије формулисао први и други закон термодинамике, који су описани касније у овом чланку. Подручје термодинамике брзо се развијало у 1800-им, јер су инжењери радили на томе да парне машине учине ефикаснијим.

Термодинамичка својства и количине укључују следеће:

• Топлота, што је енергија која се преноси између предмета на различитим температурама.
• Температура, која је мера просечне кинетичке енергије по молекулу у супстанци.
• Унутрашња енергија, што је збир молекуларне кинетичке енергије и потенцијалне енергије у систему молекула.
• Притисак, што је мера силе по јединици површине на контејнеру у коме се налази супстанца.
• Волуме је тродимензионални простор који супстанца заузима.
• Мицростатес су стања у којима се налазе поједини молекули.
• Макростати су већа стања у којима се налазе колекције молекула.
• Ентропија је мера поремећаја у супстанци. Математички је дефинисан у смислу микростања, или еквивалентно томе, у смислу промена топлоте и температуре.

Много различитих научних израза користи се у проучавању термодинамике. Да бисмо поједноставили ваше истраге, ево листе дефиниција уобичајених термина:

• Термичка равнотежа или термодинамичка равнотежа: Стање у којем су сви делови затвореног система на истој температури.
• Апсолутна нула Келвина: Келвин је СИ јединица за температуру. Најнижа вредност на овој скали је нула или апсолутна нула. То је најхладнија могућа температура.
• Термодинамички систем: Било који затворени систем који садржи интеракције и размене топлотне енергије.
• Изоловани систем: Систем који не може размењивати енергију ни са чим изван себе.
• Топлотна или топлотна енергија: Постоји много различитих облика енергије; међу њима је топлотна енергија, која је енергија повезана са кинетичким кретањем молекула у систему.
• Гиббсова бесплатна енергија: Термодинамички потенцијал који се користи за одређивање максималне количине реверзибилног рада у систему.
• Специфични топлотни капацитет: Количина топлотне енергије потребна за промену температуре јединичне масе супстанце за 1 степен. То зависи од врсте супстанце и представља број који се обично тражи у табелама.
• Идеалан гас: Поједностављени модел гасова који се примењује на већину гасова при стандардној температури и притиску. Претпоставља се да се сами молекули гаса сударају у савршено еластичним сударима. Такође се претпоставља да су молекули довољно удаљени један од другог да се могу третирати као тачкасте масе.

Три су главна закони термодинамике (назива се први закон, други закон и трећи закон), али постоји и нулти закон. Ови закони су описани на следећи начин:

Тхе нулти закон термодинамике је вероватно најинтуитивнији. У њему се наводи да ако је супстанца А у топлотној равнотежи са супстанцом Б, а супстанца Б је у топлотној равнотеже са супстанцом Ц, онда следи да супстанца А мора бити у топлотној равнотежи са супстанца Ц.

Тхе први закон термодинамике је у основи изјава закона о очувању енергије. У њему се наводи да је промена унутрашње енергије система једнака разлици између топлотне енергије пренесене у систем и рада система на његовој околини.

Тхе други закон термодинамике, који се понекад назива и законом који подразумева стрелицу времена - наводи се да укупна ентропија у затвореном систему може остати само константна или се повећавати како време напредује. Ентропија се може слободно сматрати мером поремећаја система и овај закон лабаво као што је изјава да „ствари имају тенденцију да се помешају што их више уздрмате, за разлику од њих не мешајући се “.

Тхе трећи закон термодинамике наводи да се ентропија система приближава константној вредности како се температура система приближава апсолутној нули. Будући да на апсолутној нули нема молекуларног кретања, логично је да се ентропија у том тренутку не би променила.

Термодинамика користи статистичку механику. Ово је грана физике која примењује статистику и на класичну и на квантну физику.

Статистичка механика омогућава научницима да раде са макроскопским величинама на једноставнији начин него са микроскопским величинама. Узмите на пример температуру. Дефинисана је као просечна кинетичка енергија по молекулу у супстанци.

Шта ако је уместо тога било потребно да утврдите стварну кинетичку енергију сваког молекула, и више од тога, водите евиденцију о сваком судару између молекула? Било би готово немогуће направити било какав помак. Уместо тога, користе се статистичке технике које омогућавају разумевање температуре, топлотног капацитета и тако даље као већих својстава материјала.

Ова својства описују просечно понашање у материјалу. Исто важи и за величине попут притиска и ентропије.

А. топлотни мотор је термодинамички систем који топлотну енергију претвара у механичку. Парни мотори су пример топлотног мотора. Они раде помоћу високог притиска за померање клипа.

Топлотни мотори раде на неку врсту комплетног циклуса. Они имају некакав извор топлоте, који се обично назива топлотна купка, који им омогућава да узимају топлотну енергију. Та топлотна енергија тада узрокује неку врсту термодинамичких промена у систему, попут повећања притиска или ширења гаса.

Када се гас прошири, он делује на животну средину. Понекад ово изгледа као да покреће клип у мотору. На крају циклуса користи се хладна купка да се систем врати на почетну тачку.

Топлотни мотори узимају топлотну енергију, користе је за обављање корисних послова, а затим током процеса одају или губе део топлотне енергије у животну средину. Тхе ефикасност топлотног мотора дефинише се као однос корисног учинка рада и нето уложеног топлоте.

Није изненађујуће што научници и инжењери желе да њихови топлотни мотори буду што ефикаснији - претварајући максималне количине уложене топлотне енергије у користан рад. Можда мислите да је најефикаснији топлотни мотор 100% ефикасан, али ово је нетачно.

У ствари, постоји ограничење максималне ефикасности топлотног мотора. Не само да ефикасност зависи од врсте процеси у циклусу, чак и када је најбоље могуће процеси (они који су реверзибилни) користе се, најефикаснији топлотни мотор може да зависи од релативне разлике у температурама између топлотне и хладне купке.

Ова максимална ефикасност назива се Царнотова ефикасност, а то је ефикасност а Царнотов циклус, што је циклус топлотних мотора који се састоји од потпуно реверзибилног процеси.

Постоји много примена термодинамике за процеси виђен у свакодневном животу. Узмите на пример свој фрижидер. Фрижидер делује ван термодинамичког циклуса.

Прво компресор компримује пару расхладног средства, што узрокује пораст притиска и гура га напред у завојнице смештене на спољној задњој страни фрижидера. Ако осетите ове завојнице, осећаће се топло на додир.

Околни ваздух их доводи до хлађења, а врући гас се поново претвара у течност. Ова течност се хлади под високим притиском док тече у калеме унутар фрижидера, упија топлоту и хлади ваздух. Једном кад се довољно загреје, поново испарава у гас и враћа се у компресор, а циклус се понавља.

Топлотне пумпе, које могу грејати и хладити вашу кућу, раде на сличним принципима.