Termodinamik: Tanım, Kanunlar ve Denklemler

Birçok insan için termodinamik, yalnızca akıllı insanların anlayabileceği korkutucu bir fizik dalı gibi geliyor. Ancak biraz temel bilgi ve biraz çalışma ile herkes bu çalışma alanını anlayabilir.

Termodinamik, ısı enerjisinin transferi nedeniyle fiziksel sistemlerde olup bitenleri araştıran bir fizik dalıdır. Gelişiminde Sadi Carnot'tan Rudolf Clausius'a ve James Clerk Maxwell'den Max Planck'a kadar fizikçilerin hepsinin payı var.

"Termodinamik" kelimesi Yunanca köklerden gelir. termos, sıcak veya ılık anlamına gelir ve dinamikolar, güçlü anlamına gelir, ancak kökün sonraki yorumları ona eylem ve hareketin anlamını atfeder. Temelde termodinamik, hareket halindeki ısı enerjisinin incelenmesidir.

Termodinamik, ısı enerjisinin nasıl üretilebileceği ve mekanik enerji gibi farklı enerji biçimlerine nasıl dönüştürülebileceği ile ilgilenir. Ayrıca fiziksel sistemlerdeki düzen ve düzensizlik kavramını ve farklı süreçlerin enerji verimliliğini araştırır.

Termodinamiğin derin bir çalışması da büyük ölçüde

Ancak sorun, her bir molekülün bireysel hareketini gözlemlemenin ve hesaba katmanın imkansız olmasıdır, bu nedenle bunun yerine istatistiksel yöntemler ve büyük bir doğrulukla uygulanır.

Termodinamik ile ilgili bazı temel çalışmalar 1600'lü yılların başlarında geliştirildi. Robert Boyle tarafından geliştirilen Boyle yasası, basınç ve hacim arasındaki ilişkiyi belirledi ve sonunda Charles yasası ve Gay-Lussac Yasası ile birleştirildiğinde ideal gaz yasasına yol açtı.

Kont Rumford (aka Sir Benjamin Thompson) tarafından ısının bir enerji biçimi olarak anlaşılması 1798 yılına kadar değildi. Delik işleme aletinin tornalanmasında üretilen ısının yapılan işle orantılı olduğunu gözlemledi.

1800'lerin başında, Fransız askeri mühendis Sadi Carnot, çok sayıda iş yaptı. Bir ısı motoru çevrimi kavramının yanı sıra bir termodinamikte tersinirlik fikrinin geliştirilmesi süreç. (Bazı süreçler, zamanda ileri olduğu kadar zamanda geriye doğru da işler; bu süreçlere tersinir denir. Diğer birçok süreç yalnızca bir yönde çalışır.)

Carnot'un çalışması buhar motorunun geliştirilmesine yol açtı.

Daha sonra Rudolf Clausius, bu makalenin ilerleyen bölümlerinde açıklanan termodinamiğin birinci ve ikinci yasalarını formüle etti. 1800'lerde mühendisler buhar motorlarını daha verimli hale getirmek için çalıştıkça termodinamik alanı hızla gelişti.

Termodinamik özellikler ve miktarlar aşağıdakileri içerir:

• Sıcaklıkfarklı sıcaklıklarda nesneler arasında aktarılan enerjidir.
• Sıcaklık, bir maddedeki molekül başına ortalama kinetik enerjinin bir ölçüsüdür.
• İçsel enerjibir molekül sistemindeki moleküler kinetik enerji ve potansiyel enerjinin toplamı olan.
• Basınç, bir maddeyi barındıran bir kap üzerinde birim alan başına kuvvetin bir ölçüsüdür.
• Ses bir maddenin kapladığı üç boyutlu uzaydır.
• mikro haller tek tek moleküllerin içinde bulunduğu durumlardır.
• Makrodurumlar molekül koleksiyonlarının içinde bulunduğu daha büyük durumlardır.
• Entropi bir maddedeki bozukluğun bir ölçüsüdür. Matematiksel olarak mikro haller veya eşdeğeri olarak ısı ve sıcaklıktaki değişiklikler olarak tanımlanır.

Termodinamik çalışmalarında birçok farklı bilimsel terim kullanılmaktadır. Kendi araştırmalarınızı basitleştirmek için, burada yaygın olarak kullanılan terimlerin tanımlarının bir listesi bulunmaktadır:

• Termal denge veya termodinamik denge: Kapalı bir sistemin tüm parçalarının aynı sıcaklıkta olduğu bir durum.
• Mutlak sıfır Kelvin: Kelvin, sıcaklık için SI birimidir. Bu ölçekteki en düşük değer sıfır veya mutlak sıfırdır. Mümkün olan en soğuk sıcaklıktır.
• Termodinamik sistem: Termal enerji etkileşimlerini ve alışverişlerini içeren herhangi bir kapalı sistem.
• Yalıtılmış sistem: Kendi dışındaki hiçbir şeyle enerji alışverişi yapamayan bir sistem.
• Isı enerjisi veya termal enerji: Enerjinin birçok farklı formu vardır; bunların arasında, bir sistemdeki moleküllerin kinetik hareketiyle ilişkili enerji olan termal enerji bulunur.
• Gibbs serbest enerjisi: Bir sistemdeki maksimum tersinir iş miktarını belirlemek için kullanılan bir termodinamik potansiyel.
• Özgül ısı kapasitesi: Bir maddenin birim kütlesinin sıcaklığını 1 derece değiştirmek için gereken ısı enerjisi miktarı. Maddenin türüne bağlıdır ve genellikle tablolarda aranan bir sayıdır.
• Ideal gaz: Standart sıcaklık ve basınçta çoğu gaz için geçerli olan basitleştirilmiş bir gaz modeli. Gaz moleküllerinin kendilerinin mükemmel esnek çarpışmalarda çarpıştığı varsayılır. Moleküllerin, nokta kütleler gibi ele alınabilecek kadar birbirlerinden çok uzak oldukları da varsayılır.

üç ana var termodinamik yasaları (birinci yasa, ikinci yasa ve üçüncü yasa olarak adlandırılır) ancak bir de sıfırıncı yasa vardır. Bu yasalar şu şekilde açıklanmaktadır:

termodinamiğin sıfırıncı yasası muhtemelen en sezgisel olanıdır. A maddesinin B maddesi ile termal dengede olduğunu ve B maddesinin termal dengede olduğunu belirtir. C maddesi ile dengedeyse, bundan sonra A maddesinin termal dengede olması gerektiği sonucu çıkar. madde C.

termodinamiğin birinci yasası temelde enerjinin korunumu yasasının bir ifadesidir. Bir sistemin iç enerjisindeki değişimin, sisteme aktarılan ısı enerjisi ile sistemin çevresinde yaptığı iş arasındaki farka eşit olduğunu belirtir.

termodinamiğin ikinci yasası, bazen zaman okunu ifade eden yasa olarak anılır - kapalı bir sistemdeki toplam entropinin yalnızca zaman ilerledikçe sabit kalabileceğini veya artabileceğini belirtir. Entropi, bir sistemin düzensizliğinin bir ölçüsü olarak gevşek bir şekilde düşünülebilir ve bu yasa şöyle düşünülebilir: gevşek bir şekilde "işler, onları ne kadar çok sallarsanız birbirine karışma eğilimi gösterir, aksine karışmaz."

termodinamiğin üçüncü yasası Bir sistemin sıcaklığı mutlak sıfıra yaklaştıkça sistemin entropisinin sabit bir değere yaklaştığını belirtir. Mutlak sıfırda moleküler hareket olmadığından, entropinin o noktada değişmeyeceği mantıklıdır.

Termodinamik, istatistiksel mekaniği kullanır. Bu, hem klasik hem de kuantum fiziğine istatistik uygulayan bir fizik dalıdır.

İstatistiksel mekanik, bilim adamlarının makroskopik niceliklerle mikroskobik niceliklerden daha basit bir şekilde çalışmasına izin verir. Örneğin sıcaklığı düşünün. Bir maddedeki molekül başına ortalama kinetik enerji olarak tanımlanır.

Bunun yerine, her molekülün gerçek kinetik enerjisini belirlemeniz ve bundan daha fazlası, moleküller arasındaki her çarpışmayı takip etmeniz gerekiyorsa? Herhangi bir ilerleme kaydetmek neredeyse imkansız olurdu. Bunun yerine, bir malzemenin daha büyük özellikleri olarak sıcaklık, ısı kapasitesi ve benzerlerinin anlaşılmasına izin veren istatistiksel teknikler kullanılır.

Bu özellikler, malzeme içinde meydana gelen ortalama davranışı tanımlar. Aynı şey basınç ve entropi gibi nicelikler için de geçerlidir.

bir ısıtma motoru ısı enerjisini mekanik enerjiye çeviren termodinamik bir sistemdir. Buhar motorları, bir ısı motorunun bir örneğidir. Bir pistonu hareket ettirmek için yüksek basınç kullanarak çalışırlar.

Isı motorları bir tür tam çevrimle çalışır. Genellikle ısı banyosu olarak adlandırılan ve ısı enerjisini almalarını sağlayan bir tür ısı kaynağına sahiptirler. Bu ısı enerjisi daha sonra sistemde basınç artışı veya bir gazın genişlemesi gibi bir tür termodinamik değişikliğe neden olur.

Bir gaz genleştiğinde, çevre üzerinde çalışır. Bazen bu, bir motorda pistonun hareket etmesine neden olmaya benziyor. Bir döngünün sonunda, sistemi başlangıç ​​noktasına geri getirmek için soğuk bir banyo kullanılır.

Isı motorları ısı enerjisini alır, faydalı işler yapmak için kullanır ve işlem sırasında çevreye bir miktar ısı enerjisi verir veya kaybeder. verimlilik Bir ısı makinesinin tanımı, faydalı iş çıktısının net ısı girdisine oranı olarak tanımlanır.

Şaşırtıcı olmayan bir şekilde, bilim adamları ve mühendisler, ısı motorlarının mümkün olduğunca verimli olmasını isterler - maksimum miktarda ısı enerjisi girdisini faydalı işe dönüştürürler. Bir ısı motorunun olabileceği en verimli şeyin yüzde 100 verimli olduğunu düşünebilirsiniz, ancak bu yanlıştır.

Aslında, bir ısı motorunun maksimum veriminin bir sınırı vardır. Verimlilik yalnızca türüne bağlı değildir. süreçler döngüde, mümkün olan en iyi durumda bile süreçler (tersinir olanlar) kullanıldığında, bir ısı motorunun en verimli olabileceği, ısı banyosu ile soğuk banyo arasındaki bağıl sıcaklık farkına bağlıdır.

Bu maksimum verimliliğe Carnot verimliliği denir ve bir karnot döngüsütamamen tersine çevrilebilir bir ısı motoru çevrimi olan süreçler.

Termodinamiğin birçok uygulaması vardır. süreçler günlük hayatta görülür. Örneğin buzdolabınızı alın. Bir buzdolabı, termodinamik bir döngüde çalışır.

İlk önce bir kompresör soğutucu buharını sıkıştırır, bu da basınçta bir artışa neden olur ve onu buzdolabınızın dış arkasında bulunan bobinlere doğru iter. Bu bobinleri hissederseniz, dokunulduğunda sıcak hissedeceklerdir.

Çevredeki hava soğumalarına neden olur ve sıcak gaz tekrar sıvıya dönüşür. Bu sıvı, buzdolabının içindeki bobinlere akarken yüksek basınçta soğur, ısıyı emer ve havayı soğutur. Yeterince ısındığında tekrar gaza buharlaşır ve kompresöre geri döner ve döngü tekrarlanır.

Evinizi ısıtıp soğutabilen ısı pompaları da benzer prensiplerle çalışır.