Термодинаміка: визначення, закони та рівняння

Для багатьох людей термодинаміка звучить як якась страшна галузь фізики, яку можуть зрозуміти лише розумні люди. Але маючи деякі фундаментальні знання та трохи роботи, кожен може зрозуміти цей напрям навчання.

Термодинаміка - це розділ фізики, який досліджує події у фізичних системах завдяки передачі теплової енергії. Фізики від Саді Карно до Рудольфа Клаузіуса та Джеймса Клерка Максвелла до Макса Планка всі взяли участь у його розвитку.

Слово "термодинаміка" походить від грецьких коренів термос, що означає гаряче або тепле, і динамікос, що означає потужне, хоча пізніші тлумачення кореня приписують йому значення дії та руху. По суті, термодинаміка - це вивчення теплової енергії в русі.

Термодинаміка стосується того, як теплову енергію можна генерувати та перетворювати в різні форми енергії, такі як механічна енергія. Він також досліджує поняття порядку та безладу у фізичних системах, а також енергетичну ефективність різних процесів.

Поглиблене вивчення термодинаміки також багато в чому спирається

Однак проблема полягає в тому, що неможливо спостерігати та враховувати індивідуальну дію кожної молекули, тому замість цього застосовуються статистичні методи з великою точністю.

Деякі фундаментальні роботи, пов’язані з термодинамікою, були розроблені ще в 1600-х роках. Закон Бойла, розроблений Робертом Бойлом, визначав взаємозв'язок між тиском і об'ємом, що в підсумку призвело до закону ідеального газу в поєднанні із законом Чарльза і законом Гей-Люссака.

Лише в 1798 році граф Рамфорд (він же Бенджамін Томпсон) сприйняв тепло як вид енергії. Він зауважив, що тепло, яке виробляється, пропорційне роботі, виконаній при точінні свердлильного інструменту.

На початку 1800-х років французький військовий інженер Саді Карно провів значну кількість робіт у Росії розробка концепції циклу теплової машини, а також ідеї оборотності в термодинаміці процес. (Деякі процеси працюють так само добре назад у часі, як і вперед у часі; ці процеси називаються оборотними. Багато інших процесів працюють лише в одному напрямку.)

Робота Карно призвела до розвитку парової машини.

Пізніше Рудольф Клаузіус сформулював перший і другий закони термодинаміки, які описані далі в цій статті. Область термодинаміки швидко розвивалася в 1800-х роках, коли інженери працювали над тим, щоб зробити парові машини більш ефективними.

Термодинамічні властивості та кількості включають наступне:

• Тепло, що представляє собою енергію, що передається між об’єктами при різних температурах.
• Температура, що є мірою середньої кінетичної енергії на молекулу речовини.
• Внутрішня енергія, яка є сумою молекулярної кінетичної енергії та потенційної енергії в системі молекул.
• Тиск, яка є мірою сили на одиницю площі на контейнері, в якому знаходиться речовина.
• Гучність є тривимірним простором, який займає речовина.
• Мікродержави - це стану, в яких перебувають окремі молекули.
• Макростати є більшими станами, в яких знаходяться колекції молекул.
• Ентропія є мірою порушення в речовині. Це математично визначається з точки зору мікростанів, або еквівалентно, з точки зору змін тепла та температури.

Для вивчення термодинаміки використовується багато різних наукових термінів. Для спрощення власних розслідувань, ось перелік визначень загальновживаних термінів:

• Теплова рівновага або термодинамічна рівновага: Стан, при якому всі частини закритої системи мають однакову температуру.
• Абсолютний нуль Кельвіна: Кельвін - одиниця виміру температури СІ. Найнижче значення на цій шкалі дорівнює нулю або абсолютному нулю. Це максимально холодна температура.
• Термодинамічна система: Будь-яка закрита система, що містить взаємодії та обмін тепловою енергією.
• Ізольована система: Система, яка не може обмінюватися енергією ні з чим поза нею.
• Теплова або теплова енергія: Існує багато різних видів енергії; серед них теплова енергія, яка є енергією, пов'язаною з кінетичним рухом молекул у системі.
• Безкоштовна енергія Гіббса: Термодинамічний потенціал, який використовується для визначення максимального обсягу оборотної роботи в системі.
• Питома теплоємність: Кількість теплової енергії, необхідна для зміни температури одиниці маси речовини на 1 градус. Це залежить від типу речовини і є числом, яке зазвичай шукають у таблицях.
• Ідеальний газ: Спрощена модель газів, яка застосовується до більшості газів при стандартній температурі та тиску. Передбачається, що самі молекули газу стикаються при ідеально пружних зіткненнях. Також передбачається, що молекули розташовані досить далеко один від одного, щоб їх можна було розглядати як точкові маси.

Є три основні закони термодинаміки (називається першим законом, другим законом і третім законом), але існує також нульовий закон. Ці закони описані наступним чином:

нульовий закон термодинаміки є, мабуть, найбільш інтуїтивно зрозумілим. У ньому сказано, що якщо речовина А знаходиться в тепловій рівновазі з речовиною В, а речовина В знаходиться в тепловій рівноваги з речовиною С, то з цього випливає, що речовина А повинна знаходитися в тепловій рівновазі з речовина С.

перший закон термодинаміки в основному є твердженням закону збереження енергії. У ній зазначається, що зміна внутрішньої енергії системи дорівнює різниці між тепловою енергією, що передається в систему, і роботою, яку система виконує над своїм оточенням.

другий закон термодинаміки, який іноді називають законом, який передбачає стрілку часу, - стверджує, що повна ентропія в замкнутій системі може залишатися незмінною або збільшуватися з плином часу. Ентропію можна сприймати вільно як міру розладу системи, і цей закон можна мислити вільно заявляючи, що «речі, як правило, змішуються, чим більше ви їх струшуєте, на відміну від змішування ".

третій закон термодинаміки стверджує, що ентропія системи наближається до постійного значення, оскільки температура системи наближається до абсолютного нуля. Оскільки при абсолютному нулі рух молекул відсутній, має сенс, що ентропія не змінилася б у цій точці.

Термодинаміка використовує статистичну механіку. Це розділ фізики, який застосовує статистику як до класичної, так і до квантової фізики.

Статистична механіка дозволяє вченим працювати з макроскопічними величинами більш прямолінійно, ніж з мікроскопічними величинами. Наприклад, враховуйте температуру. Він визначається як середня кінетична енергія на молекулу речовини.

Що робити, якщо замість цього вам потрібно було визначити фактичну кінетичну енергію кожної молекули, і більше того, відстежувати кожне зіткнення між молекулами? Було б майже неможливо зробити якийсь прогрес. Натомість використовуються статистичні методи, які дозволяють зрозуміти температуру, теплоємність тощо, як більші властивості матеріалу.

Ці властивості описують середню поведінку матеріалу. Те саме стосується величин, таких як тиск та ентропія.

A тепловий двигун - термодинамічна система, яка перетворює теплову енергію в механічну. Парові двигуни - приклад теплової машини. Вони працюють за допомогою високого тиску для переміщення поршня.

Теплові двигуни працюють на якомусь повному циклі. Вони мають якесь джерело тепла, яке зазвичай називають тепловою ванною, що дозволяє їм приймати теплову енергію. Тоді ця теплова енергія викликає певні термодинамічні зміни в системі, такі як збільшення тиску або розширення газу.

Коли газ розширюється, він впливає на навколишнє середовище. Іноді це схоже на те, що поршень рухається в двигуні. В кінці циклу використовується прохолодна ванна, щоб повернути систему до початкової точки.

Теплові двигуни забирають теплову енергію, використовують її для корисної роботи, а потім також віддають або втрачають частину теплової енергії в навколишнє середовище під час процесу. ефективність теплового двигуна визначається як відношення корисної робочої потужності до чистого споживання тепла.

Не дивно, що вчені та інженери хочуть, щоб їх теплові двигуни були максимально ефективними - перетворюючи максимальну кількість введеної теплової енергії в корисну роботу. Ви можете подумати, що найефективніший тепловий двигун може бути на 100 відсотків, але це неправильно.

Насправді існує обмеження на максимальну ефективність теплової машини. Ефективність залежить не тільки від типу процесів у циклі, навіть коли найкраще можливе процесів (ті, що є оборотними), найефективніший тепловий двигун може залежати від відносної різниці температур між тепловою ванною та прохолодною ванною.

Ця максимальна ефективність називається ефективністю Карно, і це ефективність a Цикл Карно, який являє собою цикл теплових двигунів, що складається з цілком оборотних процесів.

Існує багато застосувань термодинаміки для процесів бачимо у повсякденному житті. Візьміть, наприклад, свій холодильник. Холодильник працює з термодинамічного циклу.

Спочатку компресор стискає пари холодоагенту, що спричинює підвищення тиску та виштовхує його вперед у котушки, розташовані на зовнішній стороні задньої частини вашого холодильника. Якщо ви відчуєте ці котушки, вони стануть теплими на дотик.

Навколишнє повітря змушує їх охолоджуватися, і гарячий газ знову перетворюється на рідину. Ця рідина охолоджується під високим тиском, потрапляючи в котушки всередині холодильника, поглинаючи тепло і охолоджуючи повітря. Після достатнього нагрівання він знову випаровується в газ і повертається в компресор, і цикл повторюється.

Теплові насоси, які можуть обігріти та охолодити ваш будинок, працюють за подібними принципами.