Termodinamika yra svarbi fizikos šaka. Galime drąsiai teigti, kad jos pasiekimai lėmė technologijų eros atsiradimą ir iš esmės nulėmė žmonijos istorijos eigą per pastaruosius 300 metų. Straipsnyje aptariami pirmasis, antrasis ir trečiasis termodinamikos dėsniai bei jų pritaikymas praktikoje.
Kas yra termodinamika?
Prieš formuluodami termodinamikos dėsnius išsiaiškinkime, ką daro ši fizikos dalis.
Žodis „termodinamika“yra graikų kilmės ir reiškia „judėjimas dėl karščio“. Tai yra, ši fizikos šaka tiria bet kokius procesus, dėl kurių šiluminė energija paverčiama mechaniniu judesiu ir atvirkščiai.
Pagrindiniai termodinamikos dėsniai buvo suformuluoti XIX amžiaus viduryje. Mokslas apie „judėjimą ir šilumą“nagrinėja visos sistemos elgseną kaip visumą, tirdamas jos makroskopinių parametrų – temperatūros, slėgio ir tūrio – kitimą, nekreipdamas dėmesio į jos mikroskopinę struktūrą. Be to, pirmasis iš jų vaidina esminį vaidmenį formuojant įstatymustermodinamika fizikoje. Įdomu pastebėti, kad jie gauti tik iš eksperimentinių stebėjimų.
Termodinaminės sistemos samprata
Tai reiškia bet kokią atomų, molekulių ar kitų elementų grupę, kuri laikoma visuma. Visi trys dėsniai suformuluoti vadinamajai termodinaminei sistemai. Pavyzdžiai: Žemės atmosfera, bet koks gyvas organizmas, dujų mišinys vidaus degimo variklyje ir kt.
Visos termodinamikos sistemos priklauso vienam iš trijų tipų:
- Atidaryti. Jie keičiasi šiluma ir medžiaga su aplinka. Pavyzdžiui, jei maistas ruošiamas puode ant atviros ugnies, tai yra ryškus atviros sistemos pavyzdys, nes puodas gauna energiją iš išorinės aplinkos (ugnies), o pats skleidžia energiją šilumos pavidalu, ir iš jo išgaruoja vanduo (medžiagų apykaita).
- Uždaryta. Tokiose sistemose nevyksta medžiagų mainai su aplinka, nors energijos mainai vyksta. Grįžtant prie ankstesnio atvejo: uždengę virdulį dangčiu, galite gauti uždarą sistemą.
- Izoliuotas. Tai savotiškos termodinaminės sistemos, kurios nesikeičia nei medžiaga, nei energija su supančia erdve. Pavyzdys galėtų būti termosas su karšta arbata.
Termodinaminė temperatūra
Ši sąvoka reiškia dalelių, sudarančių aplinkinius kūnus, kinetinę energiją, kuri atspindi greitįatsitiktinis dalelių judėjimas. Kuo jis didesnis, tuo aukštesnė temperatūra. Atitinkamai, sumažindami sistemos kinetinę energiją, ją vėsiname.
Ši sąvoka reiškia dalelių, sudarančių aplinkinius kūnus, kinetinę energiją, kuri atspindi dalelių chaotiško judėjimo greitį. Kuo jis didesnis, tuo aukštesnė temperatūra. Atitinkamai, sumažindami sistemos kinetinę energiją, ją vėsiname.
Termodinaminė temperatūra išreiškiama SI (Tarptautinė vienetų sistema) Kelvinais (Britanijos mokslininko Williamo Kelvino, kuris pirmą kartą pasiūlė šią skalę, garbei). Suprasti pirmąjį, antrąjį ir trečiąjį termodinamikos dėsnius neįmanoma be temperatūros apibrėžimo.
Vieno laipsnio padalijimas pagal Kelvino skalę taip pat atitinka vieną Celsijaus laipsnį. Konvertavimas tarp šių vienetų atliekamas pagal formulę: TK =TC + 273, 15, kur TK ir TC – temperatūra atitinkamai kelvinais ir Celsijaus laipsniais.
Kelvino skalės ypatumas yra tas, kad ji neturi neigiamų verčių. Nulis jame (TC=-273, 15 oC) atitinka būseną, kai sistemos dalelių šiluminio judėjimo visiškai nėra., jie atrodo „užšaldyti“.
Energijos išsaugojimas ir 1-asis termodinamikos dėsnis
1824 m. prancūzų inžinierius ir fizikas Nicolas Leonardas Sadi Carnot pateikė drąsų pasiūlymą, kuris ne tik paskatino fizikos vystymąsi, bet ir tapo svarbiu žingsniu tobulinant technologijas. Jogalima suformuluoti taip: „Energijos negalima sukurti ar sunaikinti, ją galima tik perkelti iš vienos būsenos į kitą“.
Tiesą sakant, Sadi Carnot frazė postuluoja energijos tvermės dėsnį, kuris sudarė 1-ojo termodinamikos dėsnio pagrindą: „Kai sistema gauna energiją iš išorės, ji paverčia ją kitomis formomis. kurios yra šiluminės ir mechaninės."
1-ojo dėsnio matematinė formulė parašyta taip:
Q=ΔU + A, čia Q yra šilumos kiekis, kurį aplinka perduoda sistemai, ΔU yra šios sistemos vidinės energijos pokytis, A yra tobulas mechaninis darbas.
Adiabatiniai procesai
Geras jų pavyzdys yra oro masių judėjimas kalnų šlaitais. Tokios masės yra didžiulės (kilometrai ar daugiau), o oras yra puikus šilumos izoliatorius. Pastebėtos savybės leidžia adiabatiniais laikyti bet kokius procesus su oro masėmis, kurie vyksta per trumpą laiką. Kai oras kyla į viršų kalno šlaitu, jo slėgis krenta, jis plečiasi, tai yra atlieka mechaninį darbą ir dėl to atvėsta. Priešingai, oro masės judėjimą žemyn lydi slėgio padidėjimas joje, ji susispaudžia ir dėl to labai įkaista.
Terodinamikos dėsnio, kuris buvo aptartas ankstesnėje paantraštėje, taikymas lengviausiai pademonstruojamas naudojant adiabatinio proceso pavyzdį.
Pagal apibrėžimą, dėl to nėra energijos mainų suaplinka, ty aukščiau pateiktoje lygtyje Q=0. Dėl to gaunama tokia išraiška: ΔU=-A. Minuso ženklas čia reiškia, kad sistema atlieka mechaninį darbą sumažindama savo vidinę energiją. Reikėtų prisiminti, kad vidinė energija tiesiogiai priklauso nuo sistemos temperatūros.
Šiluminių procesų kryptis
Šis numeris susijęs su 2-uoju termodinamikos dėsniu. Tikrai visi pastebėjo, kad jei susiliesite du skirtingos temperatūros objektus, š altas visada įkais, o karštas – atvės. Atkreipkite dėmesį, kad atvirkštinis procesas gali vykti pagal pirmąjį termodinamikos dėsnį, tačiau jis niekada neįgyvendinamas praktiškai.
Šio proceso (ir visų žinomų procesų Visatoje) negrįžtamumo priežastis yra sistemos perėjimas į labiau tikėtiną būseną. Nagrinėjamame pavyzdyje su dviejų skirtingų temperatūrų kūnų sąlyčiu labiausiai tikėtina būsena bus ta, kai visos sistemos dalelės turės vienodą kinetinę energiją.
Antrasis termodinamikos dėsnis gali būti suformuluotas taip: „Šiluma niekada negali spontaniškai persikelti iš š alto kūno į karštą“. Jei entropijos sąvoką pristatysime kaip netvarkos matą, ją galima pavaizduoti taip: „Bet koks termodinaminis procesas vyksta didėjant entropijai“.
Šilumos variklis
Šis terminas suprantamas kaip sistema, kuri dėl išorinės energijos tiekimo jai gali atlikti mechaninį darbą. Pirmasšiluminiai varikliai buvo garo varikliai ir buvo išrasti XVII amžiaus pabaigoje.
Antrasis termodinamikos dėsnis vaidina lemiamą vaidmenį nustatant jų efektyvumą. Sadi Carnot taip pat nustatė, kad didžiausias šio įrenginio efektyvumas yra: Efektyvumas=(T2 - T1)/T2, čia T2 ir T1 yra šildytuvo ir šaldytuvo temperatūros. Mechaninius darbus galima atlikti tik tada, kai šiluma teka iš karšto kūno į š altą, ir šio srauto negalima 100 % paversti naudinga energija.
Toliau pateiktame paveikslėlyje parodytas šiluminio variklio veikimo principas (Qabs - mašinai perduodama šiluma, Qced - šilumos nuostoliai, W - naudingas darbas, P ir V - slėgis ir dujų tūris stūmoklyje).
Absoliutus nulis ir Nernsto postulatas
Pabaigai pereikime prie trečiojo termodinamikos dėsnio svarstymo. Jis taip pat vadinamas Nernsto postulatu (vokiečių fiziko, pirmą kartą jį suformulavusio XX a. pradžioje, vardas). Įstatymas sako: „Absoliutus nulis negali būti pasiektas naudojant baigtinį skaičių procesų“. Tai yra, jokiu būdu neįmanoma visiškai „užšaldyti“medžiagos molekulių ir atomų. To priežastis – nuolatiniai šilumos mainai su aplinka.
Viena naudinga išvada, padaryta iš trečiojo termodinamikos dėsnio, yra ta, kad entropija mažėja judant link absoliutaus nulio. Tai reiškia, kad sistema yra linkusi organizuotis pati. Šis faktas galinaudokite, pavyzdžiui, norėdami perkelti paramagnetus į feromagnetinę būseną, kai jie atšaldomi.
Įdomu pastebėti, kad žemiausia iki šiol pasiekta temperatūra yra 5·10−10 K (2003 m., MIT laboratorija, JAV).
