A termodinamika a fizika fontos ága. Nyugodtan kijelenthetjük, hogy eredményei a technológiai korszak kialakulásához vezettek, és nagymértékben meghatározták az emberiség történelmének alakulását az elmúlt 300 évben. A cikk a termodinamika első, második és harmadik főtételét és azok gyakorlati alkalmazását tárgyalja.
Mi a termodinamika?
Mielőtt megfogalmaznánk a termodinamika törvényeit, nézzük meg, mit csinál a fizika ezen része.
A „termodinamika” szó görög eredetű, jelentése „hő hatására történő mozgás”. Vagyis a fizika ezen ága olyan folyamatok tanulmányozásával foglalkozik, amelyek eredményeként a hőenergia mechanikai mozgássá alakul, és fordítva.
A termodinamika alaptörvényei a 19. század közepén fogalmazódtak meg. A "mozgás és hő" tudománya az egész rendszer viselkedését egészében veszi figyelembe, a makroszkopikus paraméterek - hőmérséklet, nyomás és térfogat - változását tanulmányozza, és nem fordít figyelmet a mikroszkopikus szerkezetére. Ráadásul ezek közül az első alapvető szerepet játszik a törvények megfogalmazásábantermodinamika a fizikában. Érdekes megjegyezni, hogy ezek kizárólag kísérleti megfigyelésekből származnak.
A termodinamikai rendszer fogalma
Az atomok, molekulák vagy egyéb elemek bármely csoportját jelenti, amelyet egésznek tekintünk. Mindhárom törvény az úgynevezett termodinamikai rendszerre van megfogalmazva. Példák: a Föld légköre, bármely élő szervezet, egy belső égésű motorban lévő gázkeverék stb.
A termodinamikában minden rendszer a három típus valamelyikébe tartozik:
- Nyitva. Hőt és anyagot is cserélnek a környezettel. Például, ha az ételt edényben, nyílt tűzön főzik, akkor ez a nyitott rendszer szemléletes példája, mivel az edény energiát kap a külső környezetből (tűz), miközben maga hő formájában sugároz energiát, és a víz is elpárolog belőle (anyagcsere).
- Zárva. Az ilyen rendszerekben nincs anyagcsere a környezettel, bár energiacsere megtörténik. Visszatérve az előző esetre: ha letakarod a kannát fedéllel, zárt rendszert kaphatsz.
- Elszigetelt. Ez egyfajta termodinamikai rendszer, amely nem cserél anyagot vagy energiát a környező térrel. Példa erre a forró teát tartalmazó termosz.
Termodinamikai hőmérséklet
Ez a fogalom a környező testeket alkotó részecskék mozgási energiáját jelenti, amely tükrözi a sebességeta részecskék véletlenszerű mozgása. Minél nagyobb, annál magasabb a hőmérséklet. Ennek megfelelően a rendszer kinetikus energiájának csökkentésével lehűtjük.
Ez a fogalom a környező testeket alkotó részecskék kinetikus energiáját jelenti, amely a részecskék kaotikus mozgásának sebességét tükrözi. Minél nagyobb, annál magasabb a hőmérséklet. Ennek megfelelően a rendszer kinetikus energiájának csökkentésével lehűtjük.
A termodinamikai hőmérsékletet SI-ben (International System of Units) fejezik ki Kelvinben (a brit tudós, William Kelvin tiszteletére, aki először javasolta ezt a skálát). A termodinamika első, második és harmadik törvényének megértése lehetetlen a hőmérséklet meghatározása nélkül.
A Kelvin-skála egy fokos osztása egy Celsius-foknak is megfelel. Az egységek közötti átváltás a következő képlet szerint történik: TK =TC + 273, 15, ahol TK és TC - hőmérséklet kelvinben és Celsius-fokban.
A Kelvin-skála sajátossága, hogy nincsenek negatív értékei. A benne lévő nulla (TC=-273, 15 oC) annak az állapotnak felel meg, amikor a rendszer részecskéinek hőmozgása teljesen hiányzik, úgy tűnik, hogy „lefagytak”.
Az energiamegmaradás és a termodinamika 1. főtétele
1824-ben Nicolas Léonard Sadi Carnot francia mérnök és fizikus egy merész javaslatot tett, amely nemcsak a fizika fejlődéséhez vezetett, hanem a technológia fejlesztésének jelentős lépésévé is vált. Övéa következőképpen fogalmazható meg: "Az energia nem keletkezhet vagy semmisíthető meg, csak egyik állapotból a másikba vihető át."
Valójában Sadi Carnot mondata az energiamegmaradás törvényét posztulálja, amely a termodinamika 1. törvényének alapját képezte: "Amikor egy rendszer kívülről kap energiát, azt más formákká alakítja át. amelyek termikusak és mechanikusak."
Az 1. törvény matematikai képlete a következő:
Q=ΔU + A, itt Q a környezet által a rendszernek átadott hőmennyiség, ΔU a rendszer belső energiájának változása, A a tökéletes mechanikai munka.
Adiabatikus folyamatok
Jó példa rájuk a légtömegek mozgása a hegyoldalak mentén. Az ilyen tömegek hatalmasak (kilométer vagy több), és a levegő kiváló hőszigetelő. A feljegyzett tulajdonságok lehetővé teszik, hogy a rövid időn belül lezajló légtömegű folyamatokat adiabatikusnak tekintsük. Amikor a levegő felemelkedik egy hegy lejtőjén, nyomása leesik, kitágul, azaz mechanikai munkát végez, és ennek következtében lehűl. Ellenkezőleg, a légtömeg lefelé mozgását nyomásnövekedés kíséri benne, összenyomódik, és emiatt nagyon felforrósodik.
A termodinamika törvényének az előző alfejezetben tárgy alt alkalmazása legkönnyebben egy adiabatikus folyamat példáján mutatható be.
A meghatározás szerint ennek eredményeként nincs energiacsere akörnyezet, azaz a fenti egyenletben Q=0. Ez a következő kifejezéshez vezet: ΔU=-A. A mínusz jel itt azt jelenti, hogy a rendszer saját belső energiájának csökkentésével mechanikai munkát végez. Emlékeztetni kell arra, hogy a belső energia közvetlenül függ a rendszer hőmérsékletétől.
A termikus folyamatok iránya
Ez a szám a termodinamika 2. főtételével foglalkozik. Bizonyára mindenki észrevette, hogy ha két különböző hőmérsékletű tárgyat érintkezik, akkor a hideg mindig felmelegszik, a meleg pedig lehűl. Megjegyzendő, hogy a termodinamika első főtétele keretein belül előfordulhat fordított folyamat is, de a gyakorlatban soha nem valósul meg.
A folyamat (és az Univerzumban minden ismert folyamat) visszafordíthatatlanságának oka a rendszer átmenete egy valószínűbb állapotba. A vizsgált példában két különböző hőmérsékletű test érintkezésével a legvalószínűbb az az állapot, amelyben a rendszer összes részecskéje azonos mozgási energiával rendelkezik.
A termodinamika második főtétele a következőképpen fogalmazható meg: "A hő soha nem kerülhet spontán módon a hideg testből a forróba." Ha bevezetjük az entrópia fogalmát, mint a rendezetlenség mértékét, akkor ez a következőképpen ábrázolható: "Bármely termodinamikai folyamat az entrópia növekedésével megy végbe".
Fűtőmotor
Ezen a kifejezésen olyan rendszert értünk, amely külső energiával való ellátása miatt mechanikai munkát végezhet. ElsőA hőgépek gőzgépek voltak, és a 17. század végén találták fel.
A termodinamika második főtétele döntő szerepet játszik a hatékonyságuk meghatározásában. Sadi Carnot azt is megállapította, hogy ennek az eszköznek a maximális hatékonysága a következő: Hatékonyság=(T2 - T1)/T2, itt a T2 és T1 a fűtés és a hűtőszekrény hőmérséklete. Mechanikai munkát csak akkor lehet elvégezni, ha hő áramlik a forró testből a hidegbe, és ez az áramlás nem alakítható 100%-ban hasznos energiává.
Az alábbi ábra a hőmotor működési elvét mutatja (Qabs - hőátadás a gépnek, Qced - hőveszteség, W - hasznos munka, P és V - nyomás és gáz térfogata a dugattyúban).
Abszolút nulla és Nernst posztulátuma
Végül térjünk át a termodinamika harmadik főtételére. Nernst-posztulátumnak is nevezik (annak a német fizikusnak a neve, aki először fogalmazta meg a XX. század elején). A törvény azt mondja: "Az abszolút nulla nem érhető el véges számú folyamattal." Vagyis semmilyen módon lehetetlen teljesen "lefagyasztani" egy anyag molekuláit és atomjait. Ennek oka a környezettel való állandó hőcsere.
A termodinamika harmadik főtételéből levonható hasznos következtetés az, hogy az entrópia csökken, ha az ember az abszolút nulla felé halad. Ez azt jelenti, hogy a rendszer hajlamos megszervezni magát. Ez a tény képeshasználható például a paramágnesek ferromágneses állapotba való átvitelére, amikor lehűtik.
Érdekes megjegyezni, hogy az eddig elért legalacsonyabb hőmérséklet 5·10−10 K (2003, MIT Laboratórium, USA).
