Termodinamik ialah cabang fizik yang penting. Kita boleh mengatakan dengan selamat bahawa pencapaiannya telah membawa kepada kemunculan era teknologi dan telah banyak menentukan perjalanan sejarah manusia sejak 300 tahun yang lalu. Artikel tersebut membincangkan hukum termodinamik pertama, kedua dan ketiga serta penggunaannya dalam amalan.
Apakah itu termodinamik?
Sebelum merumuskan hukum termodinamik, mari kita fikirkan apa yang bahagian fizik ini lakukan.
Perkataan "termodinamik" berasal dari bahasa Yunani dan bermaksud "pergerakan akibat haba". Iaitu, cabang fizik ini terlibat dalam kajian mana-mana proses, akibatnya tenaga haba ditukar kepada gerakan mekanikal dan sebaliknya.
Hukum asas termodinamik telah dirumuskan pada pertengahan abad ke-19. Sains "pergerakan dan haba" menganggap tingkah laku keseluruhan sistem secara keseluruhan, mengkaji perubahan dalam parameter makroskopiknya - suhu, tekanan dan isipadu, dan tidak memberi perhatian kepada struktur mikroskopiknya. Lebih-lebih lagi, yang pertama memainkan peranan asas dalam penggubalan undang-undangtermodinamik dalam fizik. Adalah pelik untuk diperhatikan bahawa ia diperoleh semata-mata daripada pemerhatian percubaan.
Konsep sistem termodinamik
Ia bermaksud mana-mana kumpulan atom, molekul atau unsur lain yang dianggap sebagai keseluruhan. Ketiga-tiga undang-undang ini dirumuskan untuk apa yang dipanggil sistem termodinamik. Contohnya ialah: atmosfera Bumi, mana-mana organisma hidup, campuran gas dalam enjin pembakaran dalaman, dsb.
Semua sistem dalam termodinamik tergolong dalam satu daripada tiga jenis:
- Buka. Mereka menukar kedua-dua haba dan jirim dengan persekitaran. Sebagai contoh, jika makanan dimasak dalam periuk di atas api terbuka, maka ini adalah contoh jelas sistem terbuka, kerana periuk menerima tenaga dari persekitaran luaran (api), sementara ia sendiri memancarkan tenaga dalam bentuk haba, dan air juga tersejat daripadanya (metabolisme).
- Ditutup. Dalam sistem sedemikian tidak ada pertukaran jirim dengan persekitaran, walaupun pertukaran tenaga berlaku. Berbalik kepada bekas sebelumnya: jika anda menutup cerek dengan penutup, anda boleh mendapatkan sistem tertutup.
- Terpencil. Ini adalah sejenis sistem termodinamik yang tidak menukar jirim atau tenaga dengan ruang sekeliling. Contohnya ialah termos yang mengandungi teh panas.
Suhu termodinamik
Konsep ini bermaksud tenaga kinetik zarah yang membentuk jasad sekeliling, yang mencerminkan kelajuanpergerakan rawak zarah. Semakin besar, semakin tinggi suhunya. Sehubungan itu, dengan mengurangkan tenaga kinetik sistem, kami menyejukkannya.
Konsep ini bermaksud tenaga kinetik zarah yang membentuk jasad sekeliling, yang mencerminkan kelajuan pergerakan zarah yang huru-hara. Semakin besar, semakin tinggi suhunya. Sehubungan itu, dengan mengurangkan tenaga kinetik sistem, kami menyejukkannya.
Suhu termodinamik dinyatakan dalam SI (Sistem Unit Antarabangsa) dalam Kelvin (sebagai penghormatan kepada saintis British William Kelvin, yang mula-mula mencadangkan skala ini). Memahami undang-undang pertama, kedua dan ketiga termodinamik adalah mustahil tanpa takrifan suhu.
Pembahagian satu darjah pada skala Kelvin juga sepadan dengan satu darjah Celsius. Penukaran antara unit ini dijalankan mengikut formula: TK =TC + 273, 15, di mana TK dan TC - suhu masing-masing dalam kelvin dan darjah Celsius.
Keanehan skala Kelvin ialah ia tidak mempunyai nilai negatif. Sifar di dalamnya (TC=-273, 15 oC) sepadan dengan keadaan apabila gerakan haba zarah sistem tidak hadir sepenuhnya, ia kelihatan "beku".
Pengekalan tenaga dan hukum 1 termodinamik
Pada tahun 1824, Nicolas Léonard Sadi Carnot, seorang jurutera dan ahli fizik Perancis, membuat cadangan berani yang bukan sahaja membawa kepada perkembangan fizik, tetapi juga menjadi langkah utama dalam peningkatan teknologi. miliknyaboleh dirumuskan seperti berikut: "Tenaga tidak boleh dicipta atau dimusnahkan, ia hanya boleh dipindahkan dari satu keadaan ke keadaan lain."
Sebenarnya, frasa Sadi Carnot menyatakan hukum kekekalan tenaga, yang membentuk asas undang-undang pertama termodinamik: "Apabila sistem menerima tenaga dari luar, ia menukarkannya kepada bentuk lain, yang utama yang bersifat haba dan mekanikal."
Formula matematik untuk hukum 1 ditulis seperti berikut:
Q=ΔU + A, di sini Q ialah jumlah haba yang dipindahkan oleh persekitaran ke sistem, ΔU ialah perubahan dalam tenaga dalaman sistem ini, A ialah kerja mekanikal yang sempurna.
Proses adiabatik
Contoh yang baik ialah pergerakan jisim udara di sepanjang lereng gunung. Jisim sedemikian adalah besar (kilometer atau lebih), dan udara adalah penebat haba yang sangat baik. Ciri-ciri yang dinyatakan membolehkan kami menganggap sebarang proses dengan jisim udara yang berlaku dalam masa yang singkat sebagai adiabatik. Apabila udara naik ke atas cerun gunung, tekanannya menurun, ia mengembang, iaitu, ia melakukan kerja mekanikal, dan, sebagai hasilnya, ia menjadi sejuk. Sebaliknya, pergerakan ke bawah jisim udara disertai dengan peningkatan tekanan di dalamnya, ia memampat dan, disebabkan ini, menjadi sangat panas.
Penggunaan hukum termodinamik, yang telah dibincangkan dalam subtajuk sebelumnya, paling mudah ditunjukkan menggunakan contoh proses adiabatik.
Menurut definisi, akibatnya tiada pertukaran tenaga denganpersekitaran, iaitu, dalam persamaan di atas, Q=0. Ini membawa kepada ungkapan berikut: ΔU=-A. Tanda tolak di sini bermaksud bahawa sistem melakukan kerja mekanikal dengan mengurangkan tenaga dalamannya sendiri. Perlu diingat bahawa tenaga dalaman bergantung secara langsung pada suhu sistem.
Arah proses terma
Isu ini berkaitan dengan hukum ke-2 termodinamik. Pasti semua orang perasan bahawa jika anda membawa dua objek dengan suhu yang berbeza ke dalam sentuhan, maka yang sejuk akan sentiasa panas, dan yang panas akan menyejukkan. Ambil perhatian bahawa proses sebaliknya boleh berlaku dalam rangka kerja undang-undang pertama termodinamik, tetapi ia tidak pernah dilaksanakan dalam amalan.
Punca ketidakterbalikan proses ini (dan semua proses yang diketahui di Alam Semesta) ialah peralihan sistem kepada keadaan yang lebih berkemungkinan. Dalam contoh yang dipertimbangkan dengan sentuhan dua jasad yang berbeza suhu, keadaan yang paling berkemungkinan ialah keadaan di mana semua zarah sistem akan mempunyai tenaga kinetik yang sama.
Hukum kedua termodinamik boleh dirumuskan seperti berikut: "Haba tidak sekali-kali boleh dipindahkan secara spontan daripada jasad sejuk kepada jasad panas." Jika kita memperkenalkan konsep entropi sebagai ukuran kecelaruan, maka ia boleh diwakili seperti berikut: "Sebarang proses termodinamik diteruskan dengan peningkatan entropi".
Enjin haba
Istilah ini difahami sebagai sistem yang, disebabkan oleh bekalan tenaga luaran kepadanya, boleh melakukan kerja mekanikal. Pertamaenjin haba ialah enjin wap dan dicipta pada penghujung abad ke-17.
Hukum kedua termodinamik memainkan peranan penting dalam menentukan keberkesanannya. Sadi Carnot juga menetapkan bahawa kecekapan maksimum peranti ini ialah: Kecekapan=(T2 - T1)/T2, di sini T2 dan T1 ialah suhu pemanas dan peti sejuk. Kerja mekanikal hanya boleh dilakukan apabila terdapat aliran haba dari badan panas ke sejuk, dan aliran ini tidak boleh 100% ditukar kepada tenaga berguna.
Rajah di bawah menunjukkan prinsip pengendalian enjin haba (Qabs - haba dipindahkan ke mesin, Qced - kehilangan haba, W - kerja berguna, P dan V - tekanan dan isipadu gas dalam omboh).
Sifar mutlak dan postulat Nernst
Akhir sekali, mari kita beralih kepada pertimbangan hukum ketiga termodinamik. Ia juga dipanggil postulat Nernst (nama ahli fizik Jerman yang mula-mula merumuskannya pada awal abad ke-20). Undang-undang mengatakan: "Sifar mutlak tidak boleh dicapai dengan bilangan proses yang terhad." Iaitu, mustahil dalam apa jua cara untuk "membekukan" sepenuhnya molekul dan atom sesuatu bahan. Sebabnya ialah pertukaran haba sedia ada yang berterusan dengan persekitaran.
Satu kesimpulan berguna yang diambil daripada hukum ketiga termodinamik ialah entropi berkurangan apabila seseorang bergerak ke arah sifar mutlak. Ini bermakna sistem cenderung untuk mengatur dirinya sendiri. Fakta ini bolehgunakan, sebagai contoh, untuk memindahkan paramagnet kepada keadaan feromagnetik apabila disejukkan.
Menarik untuk diperhatikan bahawa suhu terendah yang telah dicapai setakat ini ialah 5·10−10 K (2003, makmal MIT, Amerika Syarikat).
