Termodynamik er en vigtig gren af fysikken. Vi kan roligt sige, at dets resultater har ført til fremkomsten af den teknologiske æra og i vid udstrækning har bestemt forløbet af menneskehedens historie i løbet af de sidste 300 år. Artiklen diskuterer termodynamikkens første, anden og tredje lov og deres anvendelse i praksis.
Hvad er termodynamik?
Før vi formulerer termodynamikkens love, lad os finde ud af, hvad denne del af fysikken gør.
Ordet "termodynamik" er af græsk oprindelse og betyder "bevægelse på grund af varme". Det vil sige, at denne gren af fysik er engageret i undersøgelsen af alle processer, som et resultat af hvilke termisk energi omdannes til mekanisk bevægelse og omvendt.
De grundlæggende love for termodynamikken blev formuleret i midten af det 19. århundrede. Videnskaben om "bevægelse og varme" betragter opførselen af hele systemet som helhed, studerer ændringen i dets makroskopiske parametre - temperatur, tryk og volumen, og er ikke opmærksom på dets mikroskopiske struktur. Desuden spiller den første af dem en grundlæggende rolle i udformningen af lovetermodynamik i fysik. Det er underligt at bemærke, at de udelukkende er afledt af eksperimentelle observationer.
Konceptet med et termodynamisk system
Det betyder enhver gruppe af atomer, molekyler eller andre grundstoffer, der betragtes som en helhed. Alle tre love er formuleret for det såkaldte termodynamiske system. Eksempler er: Jordens atmosfære, enhver levende organisme, gasblandingen i en forbrændingsmotor osv.
Alle systemer inden for termodynamik tilhører en af tre typer:
- Åben. De udveksler både varme og stof med miljøet. Hvis mad for eksempel tilberedes i en gryde på åben ild, så er dette et levende eksempel på et åbent system, da gryden modtager energi fra det ydre miljø (ild), mens den selv udstråler energi i form af varme, og vand fordamper også fra det (stofskifte).
- Lukket. I sådanne systemer er der ingen udveksling af stof med miljøet, selvom udvekslingen af energi finder sted. Tilbage til det forrige tilfælde: Hvis du dækker elkedlen med et låg, kan du få et lukket system.
- Isoleret. Dette er en slags termodynamiske systemer, der ikke udveksler stof eller energi med det omgivende rum. Et eksempel kunne være en termokande med varm te.
Termodynamisk temperatur
Dette koncept betyder den kinetiske energi af de partikler, der danner de omgivende legemer, som afspejler hastighedentilfældig bevægelse af partikler. Jo større den er, jo højere er temperaturen. Ved at reducere systemets kinetiske energi afkøles det derfor.
Dette koncept betyder den kinetiske energi af de partikler, der danner de omgivende kroppe, som afspejler hastigheden af partiklernes kaotiske bevægelse. Jo større den er, jo højere er temperaturen. Ved at reducere systemets kinetiske energi afkøles det derfor.
Termodynamisk temperatur er udtrykt i SI (International System of Units) i Kelvin (til ære for den britiske videnskabsmand William Kelvin, som først foreslog denne skala). At forstå termodynamikkens første, anden og tredje lov er umulig uden en definition af temperatur.
En division af én grad på Kelvin-skalaen svarer også til én grad Celsius. Omregningen mellem disse enheder udføres efter formlen: TK =TC + 273, 15, hvor TK og TC - temperaturer i henholdsvis kelvin og grader Celsius.
Det særlige ved Kelvin-skalaen er, at den ikke har negative værdier. Nul i den (TC=-273, 15 oC) svarer til tilstanden, når den termiske bevægelse af systemets partikler er fuldstændig fraværende, de ser ud til at være "frosset".
Bevarelse af energi og termodynamikkens 1. lov
I 1824 fremsatte Nicolas Léonard Sadi Carnot, en fransk ingeniør og fysiker, et modigt forslag, der ikke kun førte til fysikkens udvikling, men også blev et stort skridt i forbedringen af teknologien. Hanskan formuleres som følger: "Energi kan ikke skabes eller ødelægges, den kan kun overføres fra en tilstand til en anden."
Faktisk postulerer Sadi Carnots sætning loven om energibevarelse, som dannede grundlaget for termodynamikkens 1. lov: "Når et system modtager energi udefra, omdanner det den til andre former, de vigtigste som er termiske og mekaniske."
Den matematiske formel for 1. lov er skrevet som følger:
Q=ΔU + A, her er Q mængden af varme, der overføres af omgivelserne til systemet, ΔU er ændringen i den interne energi i dette system, A er det perfekte mekaniske arbejde.
Adiabatiske processer
Et godt eksempel på dem er bevægelsen af luftmasser langs bjergskråninger. Sådanne masser er enorme (kilometer eller mere), og luft er en fremragende varmeisolator. De bemærkede egenskaber giver os mulighed for at betragte alle processer med luftmasser, der opstår inden for kort tid, som adiabatiske. Når luft stiger op ad en bjergskråning, falder dens tryk, den udvider sig, det vil sige, den udfører mekanisk arbejde, og som et resultat afkøles den. Tværtimod er den nedadgående bevægelse af luftmassen ledsaget af en stigning i trykket i den, den komprimeres og bliver på grund af dette meget varm.
Anvendelsen af termodynamikkens lov, som blev diskuteret i den forrige underoverskrift, demonstreres lettest ved at bruge eksemplet på en adiabatisk proces.
Ifølge definitionen, som et resultat af det er der ingen udveksling af energi medmiljø, det vil sige i ligningen ovenfor, Q=0. Dette fører til følgende udtryk: ΔU=-A. Minustegnet her betyder, at systemet udfører mekanisk arbejde ved at reducere sin egen indre energi. Det skal erindres, at den interne energi er direkte afhængig af systemets temperatur.
Retning af termiske processer
Dette nummer omhandler termodynamikkens 2. lov. Sikkert har alle bemærket, at hvis du bringer to genstande med forskellige temperaturer i kontakt, så vil den kolde altid varme op, og den varme vil køle ned. Bemærk, at den omvendte proces kan forekomme inden for rammerne af termodynamikkens første lov, men den implementeres aldrig i praksis.
Årsagen til irreversibiliteten af denne proces (og alle kendte processer i universet) er overgangen af systemet til en mere sandsynlig tilstand. I det betragtede eksempel med kontakt mellem to legemer med forskellige temperaturer, vil den mest sandsynlige tilstand være den, hvor alle partikler i systemet vil have den samme kinetiske energi.
Den anden lov for termodynamikken kan formuleres som følger: "Varme kan aldrig spontant overføres fra en kold krop til en varm." Hvis vi introducerer begrebet entropi som et mål for uorden, så kan det repræsenteres som følger: "Enhver termodynamisk proces fortsætter med en stigning i entropi".
Varmemotor
Dette udtryk forstås som et system, der på grund af tilførsel af ekstern energi til det kan udføre mekanisk arbejde. Førstvarmemotorer var dampmaskiner og blev opfundet i slutningen af det 17. århundrede.
Termodynamikkens anden lov spiller en afgørende rolle i bestemmelsen af deres effektivitet. Sadi Carnot har også fastslået, at denne enheds maksimale effektivitet er: Effektivitet=(T2 - T1)/T2, her er T2 og T1 varmelegeme- og køleskabstemperaturer. Mekanisk arbejde kan kun udføres, når der er en varmestrøm fra en varm krop til en kold, og denne strøm kan ikke 100 % omdannes til nyttig energi.
Figuren nedenfor viser princippet for drift af en varmemotor (Qabs - varme overført til maskinen, Qced - varmetab, W - nyttigt arbejde, P og V - tryk og volumen af gas i stemplet).
Absolut nul og Nernsts postulat
Lad os endelig gå videre til betragtningen af termodynamikkens tredje lov. Det kaldes også Nernst-postulatet (navnet på den tyske fysiker, der først formulerede det i begyndelsen af det 20. århundrede). Loven siger: "Det absolutte nul kan ikke nås med et begrænset antal processer." Det vil sige, at det på nogen måde er umuligt helt at "fryse" et stofs molekyler og atomer. Årsagen til dette er den konstante eksisterende varmeudveksling med miljøet.
En nyttig konklusion udledt af termodynamikkens tredje lov er, at entropien falder, når man bevæger sig mod det absolutte nul. Det betyder, at systemet har en tendens til at organisere sig selv. Dette faktum kanbruges for eksempel til at overføre paramagneter til en ferromagnetisk tilstand, når de er afkølet.
Det er interessant at bemærke, at den laveste temperatur, der er nået hidtil, er 5·10−10 K (2003, MIT laboratorium, USA).
