Termodinamika je pomembna veja fizike. Mirno lahko rečemo, da so njegovi dosežki privedli do nastanka tehnološke dobe in so v veliki meri določili potek človeške zgodovine v zadnjih 300 letih. Članek obravnava prvi, drugi in tretji zakon termodinamike in njihovo uporabo v praksi.
Kaj je termodinamika?
Preden oblikujemo zakone termodinamike, poglejmo, kaj počne ta del fizike.
Beseda "termodinamika" je grškega izvora in pomeni "gibanje zaradi toplote". Se pravi, ta veja fizike se ukvarja s preučevanjem kakršnih koli procesov, zaradi katerih se toplotna energija pretvori v mehansko gibanje in obratno.
Osnovni zakoni termodinamike so bili oblikovani sredi 19. stoletja. Znanost o "gibanju in toploti" obravnava vedenje celotnega sistema kot celote, preučuje spremembo njegovih makroskopskih parametrov - temperature, tlaka in prostornine in ne posveča pozornosti njegovi mikroskopski strukturi. Poleg tega ima prvi od njih temeljno vlogo pri oblikovanju zakonovtermodinamika v fiziki. Zanimivo je omeniti, da izhajajo izključno iz eksperimentalnih opazovanj.
Koncept termodinamičnega sistema
Pomeni katero koli skupino atomov, molekul ali drugih elementov, ki se obravnavajo kot celota. Vsi trije zakoni so oblikovani za tako imenovani termodinamični sistem. Primeri so: Zemljina atmosfera, kateri koli živi organizem, mešanica plinov v motorju z notranjim zgorevanjem itd.
Vsi sistemi v termodinamiki spadajo v eno od treh vrst:
- Odpri. Z okoljem izmenjujejo tako toploto kot snov. Na primer, če se hrana kuha v loncu na odprtem ognju, potem je to nazoren primer odprtega sistema, saj lonec prejema energijo iz zunanjega okolja (ognja), sam pa oddaja energijo v obliki toplote, in iz nje izhlapi tudi voda (presnova).
- Zaprto. V takšnih sistemih ni izmenjave snovi z okoljem, čeprav pride do izmenjave energije. Če se vrnemo k prejšnjemu primeru: če kotliček pokrijete s pokrovom, lahko dobite zaprt sistem.
- Izolirano. To je neke vrste termodinamični sistem, ki ne izmenjuje snovi ali energije z okoliškim prostorom. Primer bi bil termos, ki vsebuje vroč čaj.
Termodinamična temperatura
Ta koncept pomeni kinetično energijo delcev, ki tvorijo okoliška telesa, kar odraža hitrostnaključno gibanje delcev. Večja kot je, višja je temperatura. V skladu s tem ga z zmanjšanjem kinetične energije sistema ohladimo.
Ta koncept pomeni kinetično energijo delcev, ki tvorijo okoliška telesa, kar odraža hitrost kaotičnega gibanja delcev. Večja kot je, višja je temperatura. V skladu s tem ga z zmanjšanjem kinetične energije sistema ohladimo.
Termodinamična temperatura je izražena v SI (Mednarodni sistem enot) v Kelvinih (v čast britanskemu znanstveniku Williamu Kelvinu, ki je prvi predlagal to lestvico). Razumevanje prvega, drugega in tretjega zakona termodinamike je nemogoče brez definicije temperature.
Deljenje ene stopinje na Kelvinovi lestvici prav tako ustreza eni stopinji Celzija. Pretvorba med temi enotami se izvede po formuli: TK =TC + 273, 15, kjer je TK in TC - temperature v kelvinih oziroma stopinjah Celzija.
Posebnost Kelvinove lestvice je, da nima negativnih vrednosti. Nič v njej (TC=-273, 15 oC) ustreza stanju, ko je toplotno gibanje delcev sistema popolnoma odsotno, zdi se, da so "zamrznjeni".
Ohranjanje energije in 1. zakon termodinamike
Leta 1824 je Nicolas Léonard Sadi Carnot, francoski inženir in fizik, podal drzen predlog, ki ni vodil le k razvoju fizike, ampak je postal tudi pomemben korak v izboljšanju tehnologije. Njegovolahko formuliramo takole: "Energije ni mogoče ustvariti ali uničiti, lahko jo je mogoče samo prenesti iz enega stanja v drugo."
Pravzaprav stavek Sadija Carnota postulira zakon ohranjanja energije, ki je bil osnova za prvi zakon termodinamike: "Kadar koli sistem prejme energijo od zunaj, jo pretvori v druge oblike, glavno od ki so termični in mehanski."
Matematična formula za 1. zakon je zapisana takole:
Q=ΔU + A, tukaj je Q količina toplote, ki jo okolje prenese v sistem, ΔU je sprememba notranje energije tega sistema, A je popolno mehansko delo.
adiabatski procesi
Dober primer zanje je gibanje zračnih mas po gorskih pobočjih. Takšne mase so ogromne (kilometri ali več), zrak pa je odličen toplotni izolator. Omenjene lastnosti nam omogočajo, da vse procese z zračnimi masami, ki se pojavijo v kratkem času, obravnavamo kot adiabatske. Ko se zrak dvigne na pobočje gore, njegov tlak pade, se razširi, torej opravlja mehansko delo, in posledično se ohladi. Nasprotno, gibanje zračne mase navzdol spremlja povečanje tlaka v njej, stisne se in zaradi tega postane zelo vroča.
Uporabo zakona termodinamike, ki je bil obravnavan v prejšnjem podnaslovu, je najlažje prikazati na primeru adiabatskega procesa.
Po definiciji zaradi tega ni izmenjave energije zokolje, to je v zgornji enačbi Q=0. To vodi do naslednjega izraza: ΔU=-A. Znak minus tukaj pomeni, da sistem izvaja mehansko delo z zmanjševanjem lastne notranje energije. Treba je opozoriti, da je notranja energija neposredno odvisna od temperature sistema.
Smer toplotnih procesov
Ta številka obravnava 2. zakon termodinamike. Zagotovo so vsi opazili, da če prideš v stik dva predmeta z različnimi temperaturami, se bo hladen vedno segrel, vroč pa se bo ohladil. Upoštevajte, da se lahko obratni proces pojavi v okviru prvega zakona termodinamike, vendar se nikoli ne izvaja v praksi.
Razlog za ireverzibilnost tega procesa (in vseh znanih procesov v vesolju) je prehod sistema v bolj verjetno stanje. V obravnavanem primeru s stikom dveh teles različnih temperatur bo najbolj verjetno stanje, v katerem bodo imeli vsi delci sistema enako kinetično energijo.
Drugi zakon termodinamike je mogoče oblikovati takole: "Toplota se nikoli ne more spontano prenesti iz hladnega telesa v vroče." Če uvedemo koncept entropije kot merila nereda, ga lahko predstavimo takole: "Vsak termodinamični proces poteka s povečanjem entropije".
Toplotni motor
Ta izraz razumemo kot sistem, ki zaradi dovajanja zunanje energije vanj lahko opravlja mehansko delo. Prvičtoplotni stroji so bili parni stroji in so bili izumljeni ob koncu 17. stoletja.
Drugi zakon termodinamike ima odločilno vlogo pri določanju njihove učinkovitosti. Sadi Carnot je tudi ugotovil, da je največja učinkovitost te naprave: Učinkovitost=(T2 - T1)/T2, tukaj sta T2 in T1 temperature grelca in hladilnika. Mehansko delo je mogoče opraviti le, če gre za pretok toplote iz vročega telesa v hladno in tega toka ni mogoče 100 % pretvoriti v koristno energijo.
Spodnja slika prikazuje princip delovanja toplotnega motorja (Qabs - toplota prenesena na stroj, Qced - toplotne izgube, W - koristno delo, P in V - tlak in prostornina plina v batu).
Absolutna ničla in Nernstov postulat
Nazadnje pojdimo k obravnavi tretjega zakona termodinamike. Imenuje se tudi Nernstov postulat (ime nemškega fizika, ki ga je prvi oblikoval v začetku 20. stoletja). Zakon pravi: "Absolutne ničle ni mogoče doseči s končnim številom procesov." To pomeni, da je na noben način nemogoče popolnoma "zamrzniti" molekule in atome snovi. Razlog za to je stalna obstoječa izmenjava toplote z okoljem.
En uporaben zaključek iz tretjega zakona termodinamike je, da se entropija zmanjšuje, ko se premikamo proti absolutni ničli. To pomeni, da se sistem nagiba k organiziranju samega sebe. To dejstvo lahkouporabite na primer za prenos paramagnetov v feromagnetno stanje, ko so ohlajeni.
Zanimivo je, da je najnižja temperatura, ki je bila dosežena do zdaj, 5·10−10 K (2003, laboratorij MIT, ZDA).
