Termodinamika: šilumos, energijos ir slėgio dėsniai
Termodinamika: supraskite šilumos, energijos ir slėgio dėsnius bei termodinamines sistemas — nuo atomų judėjimo iki kasdienės inžinerijos pritaikymų.
Termodinamika yra fizikos šaka, tirianti šilumos judėjimą tarp skirtingų objektų ir energijos pokyčius sistemoje. Termodinamika taip pat nagrinėja objektų slėgio ir tūrio kitimą, taip pat ryšius tarp šilumos, darbo ir vidinės energijos. Matematikos šaka, vadinama statistika, dažnai naudojama termodinamikoje nagrinėjant dalelių judėjimą ir tikimybinį mikroskopinių būsenų pasiskirstymą.
Pagrindinės sąvokos
Termodinaminė sistema — tai konkretus objekto arba dalies visatos dalykas, kurį analizuojame. Sistema gali būti apribota arba atvira, ją atskiria riba nuo aplinkos (aplinkos). Sistemos būseną aprašo būseniniai dydžiai (pvz., tūris, temperatūra, slėgis, vidinė energija), kurie gali pasikeisti dėl šilumos mainų ar darbo atlikimo.
Svarbios sąvokos:
- Šiluma — energijos perdavimas tarp objektų dėl temperatūrų skirtumo.
- Darbas — energijos perdavimas, susijęs su išorinių jėgų veikimu (pavyzdžiui, dujinio cilindro stūmokliui judant).
- Vidinė energija — suma energijų, slypinčių tarpatominiuose ryšiuose, judesyje ir kt.
- Entropija — termodinaminis dydis, susijęs su netvarkingumo laipsniu ir energijos paskirstymu; svarbi antrojo dėsnio sąvoka.
Termodinamikos dėsniai (trumpai)
0-asis dėsnis: jei A yra termodinaminėje pusiausvyroje su B, o B su C, tai A ir C taip pat yra pusiausvyroje. Šis dėsnis leidžia apibrėžti temperatūrą kaip mainų kriterijų.
1-as dėsnis (energijos išsaugojimo dėsnis): energija sistemoje yra išsaugoma — sistemos vidinės energijos kitimas lygus sistemoje gaunamos šilumos kiekiui minus atliktas darbas (ΔU = Q − W). Tai reiškia, kad šiluma gali būti paversta darbu ir atvirkščiai, bet bendra energija neišnyksta.
2-asis dėsnis: natūralūs procesai linkę eiti taip, kad bendras sistemos ir aplinkos entropijos kiekis didėtų arba išliktų pastovus (idealioje grįžtamoje transformacijoje). Iš to seka, kad negalima sukurti 100 % efektyvaus šilumos variklio: dalis šilumos visuomet turi būti išsklaidoma į žemesnės temperatūros rezervuarą.
3-iasis dėsnis: artėjant prie absoliutaus nulio temperatūros, idealaus kristalinio kūno entropija artėja prie konstantos (dažnai laikoma nuliu). Tai apibrėžia žemesnę temperatūros ribą ir paaiškina, kodėl visi koeficientai ir reakcijų greičiai stabteli prie absoliutaus nulio.
Termodinaminės sistemos ir procesai
Sistemos būklė aprašoma intensyviomis ir ekstensyviomis savybėmis. Intensyviosios ir ekstensyviosios savybės svarbios tiek eksperimentuose, tiek modeliuojant realius procesus.
Termodinaminiai procesai skirstomi, pavyzdžiui, į:
- izȯterminius (temperatūra pastovi),
- izobarinus (slėgis pastovus),
- izochȯrinius (tūris pastovus),
- adiabatinius (be šilumos mainų su aplinka).
Ekstensyvios ir intensyvios savybės — plytos pavyzdys
Termodinaminė sistema gali būti pavyzdžiui plyta. Plyta sudaryta iš daugybės atomų, kurie visi turi savo savybes. Visos termodinaminės sistemos turi dviejų rūšių savybes — ekstensyviąsias ir intensyviąsias.
Plytos ekstensyviosios savybės yra tos, kurias gauname sudėjus visus atomus. Tokie dalykai kaip tūris, energija, masė ir krūvis yra ekstensyvūs, nes dvi tos pačios plytos, sudėtos kartu, turi dvigubai didesnę masę nei viena plyta. Intensyviosios plytos savybės - tai savybės, kurias gauname išvedę visų atomų vidurkį. Tokie dalykai kaip temperatūra, slėgis ir tankis yra intensyvūs, nes dvi tos pačios plytos vis tiek turi tokią pačią temperatūrą kaip ir viena plyta.
Statistinė termodinamika ir tiltai tarp mikropasaulio ir makropasaulio
Klasikinėje (makro) termodinamikoje dirbama su matomais, išmatuojamais dydžiais. Statistinė termodinamika paaiškina, kaip šios makroskopinės savybės kyla iš mikroskopinių dalelių elgsenos: kiekviena makrostūstė atitinka daug mikrobūsenų, o tikimybės paskirstymai (pvz., Bolcmano paskirstymas) lemia vidutines reikšmes. Tai leidžia susieti atomų ir molekulių judėjimą su tokiais dydžiais kaip temperatūra ar entropija.
Praktinis panaudojimas
Termodinamika yra pagrindas daugelyje technologijų ir gamtos procesų:
- šilumos varikliai ir vidaus degimo varikliai,
- elektros jėgainės ir šiluminės elektrinės,
- šaldymo ir kondicionavimo sistemos,
- medžiagų projektavimas, procesų inžinerija,
- meteorologija, klimato modeliavimas ir biologiniai procesai.
Trumpai tariant, termodinamika padeda suprasti ir prognozuoti, kaip energija teka, kaip gaminamas ir naudojamas darbas, ir kodėl kai kurie procesai vyksta savaime, o kiti — ne. Tai ryšys tarp mažųjų dalelių pasaulio ir didžiųjų, matomų procesų, su kuriais susiduriame kasdien.
Termodinamikos dėsniai
Yra keturi termodinamikos dėsniai, kurie nurodo, kaip energija gali judėti tarp dviejų objektų šilumos pavidalu.
- Nulinis termodinamikos dėsnis
Jei dviejų sistemų šilumos srautas pirmyn ir atgal yra vienodas, o vienos iš dviejų sistemų šilumos srautas pirmyn ir atgal yra vienodas su kita sistema, tai visų trijų sistemų šilumos srautas yra vienodas tarpusavyje.
Energijos padidėjimas sistemoje yra tas pats, kas energijos suteikimas sistemai šilumos arba darbo pavidalu. Energija negali būti sukurta ar sunaikinta, ji gali būti tik pakeista. Sistemai atiduotas energijos kiekis yra toks pat energijos kiekis, koks paimtas iš aplinkos.
Esant porai skirtingų temperatūrų besiliečiančių sistemų, šiluma tekės iš karštos į šaltą tol, kol sistemų temperatūra susilygins.
- Trečiasis termodinamikos dėsnis
Kai sistemos temperatūra yra 0 kelvinų, absoliutus nulis (žemiausia temperatūra), entropija (energija, kuri negali būti panaudota darbui atlikti) yra lygi 0.
Termodinamikos panaudojimas
Anksčiau termodinamika buvo studijuojama siekiant pagerinti garo variklių veikimą. Dabar termodinamikos idėjos naudojamos visose srityse - nuo variklių gamybos iki juodųjų skylių tyrimo.
Mokslininkai termodinamiką naudoja dėl daugelio priežasčių. Viena iš jų - gaminti geresnius variklius ir šaldytuvus. Kita - norėdami suprasti kasdienių medžiagų savybes, kad ateityje galėtų jas padaryti stipresnes. Termodinamika taip pat naudojama chemijoje siekiant paaiškinti, kurios reakcijos vyks, o kurios ne (šis tyrimas vadinamas chemine kinetika). Termodinamika yra galinga, nes paprasti atomų modeliai gerai veikia aiškinant didelių sistemų, pavyzdžiui, plytų, savybes.
Susiję puslapiai
Klausimai ir atsakymai
K: Kas yra termodinamika?
Atsakymas: Termodinamika yra fizikos šaka, tirianti šilumos, temperatūros ir energijos ryšius.
K: Kaip termodinamikoje naudojama matematika?
A: Matematika, ypač statistika, dažnai naudojama termodinamikoje nagrinėjant dalelių judėjimą.
K: Kokie yra kai kurie termodinamikos taikymo būdai?
A: Termodinamika padeda suprasti, kaip labai mažų atomų pasaulis susijęs su dideliu pasauliu, kurį matome kasdien. Ji taip pat turi dvi pagrindines šakas - klasikinę ir statistinę termodinamiką.
K: Koks yra termodinaminės sistemos pavyzdys?
A: Termodinaminės sistemos pavyzdys yra plyta, kurią sudaro daugybė atomų, turinčių savo savybes.
K: Kas yra ekstensyviosios savybės?
A: Ekstensyviosios savybės - tai savybės, kurias gauname sudėdami visus atomus, pavyzdžiui, tūrį, energiją, masę ir krūvį, nes dvi tos pačios plytos, sudėtos kartu, turi dvigubai didesnę masę nei viena plyta.
K: Kas yra intensyviosios savybės?
A: Intensyviosios savybės - tai savybės, kurias gauname išvedę visų atomų vidurkį, pavyzdžiui, temperatūra, slėgis ir tankis, nes dvi tos pačios plytos vis tiek turi tokią pačią temperatūrą kaip ir viena plyta.
Ieškoti