Termodinamika — siltuma kustība, enerģija un sistēmas pamati
Termodinamika: saprot siltuma kustību, enerģijas pārvadi un sistēmu pamatus — skaidrojums par klasisko un statistisko pieeju, intensīvām un ekstensīvām īpašībām.
Termodinamika ir fizikas nozare, kas pēta siltuma kustību, enerģijas pārnesi un pārveidi starp dažādiem objektiem un sistēmām. Tā aplūko arī, kā mainās spiediens, tilpums un citas īpašības, kad sistēma mijiedarbojas ar apkārtējo vidi. Lai izprastu, kā makroskopiskie novērojumi saistās ar mikroskopiskām daļiņu kustībām, termodinamikā bieži izmanto matemātikas nozari, ko sauc par statistiku.
Termodinamiskā sistēma, apkārtne un līdzsvars
Termodinamiskā sistēma ir izvēlēta ķermeņu vai vielas daļa, ko pētām; viss pārējais ir apkārtne. Sistēmai var būt skaidri noteikta robeža, kas var būt fiksēta vai kustīga (piemēram, cilindra virsma ar pistoni). Svarīgi jēdzieni:
- Stāvokļa lielumi — īpašības, kas apraksta sistēmas stāvokli (piem., temperatūra, spiediens, enerģija). Šos lielumus var mērīt pašreizējā stāvoklī neatkarīgi no procesa, kas to sasniedza.
- Līdzsvars — stāvoklis, kad nav makroskopisku lauka (piem., temperatūras, spiediena) gradientu sistēmā un nav laika atkarīgas izmaiņas.
- Procesi — pārejas starp stāvokļiem (piem., izotermisks, izobāris, izohorisks, adiabātisks), kas apraksta, kā mainās stāvokļa lielumi.
Pamati: siltums, darbs un iekšējā enerģija
Termodinamikā enerģijas pārvietošana notiek galvenokārt divos veidos: siltuma pārnese un darbs. Siltums (Q) ir enerģijas pārvietošana, kas notiek dēļ temperatūras starpības. Darbs (W) ir enerģijas pārnese, kas saistīta ar spēku, kas darbojas caur pārvietojumu (piemēram, gāzes darba izpildīšana, paceļot pistoni).
Pamata vienādojums — pirmais termodinamikas likums — izsaka enerģijas saglabāšanu termodinamikā: izmaiņas sistēmas iekšējā enerģijā U ir vienādas ar sistēmai piegādātā siltuma Q mīnus sistēnas veiktais darbs W:
ΔU = Q − W
Šajā kontekstā iekšējā enerģija iekļauj visu mikroskopisko daļiņu kinētisko un potenciālo enerģiju. Atkarībā no zīmju konvencijām darbam var būt pretējs priekšā, bet būtība — enerģijas saglabāšana — paliek nemainīga.
Intensīvās un ekstensīvās īpašības
Katrai termodinamikas sistēmai ir divu veidu īpašības:
- Ekstensīvās īpašības (piem., tilpums, enerģija, masa, lādiņš) ir tieši proporcionālas sistēmas izmēram vai daļiņu skaitam. Diviem vienādiem ķieģeļiem kopā ekstensīvās vērtības divkāršojas.
- Intensīvās īpašības (piem., temperatūra, spiediens, blīvums) neparādās no sistēmas lieluma — tās raksturo lokālu stāvokli un paliek nemainīgas, ja kopējam ķermeņa tilpumam pievieno identisku daļu.
Piemērs no ikdienas: ķieģelis sastāv no daudziem atomiem; tā ekstensīvās īpašības summējas, bet intensīvās tiek aprēķinātas kā vidējās vērtības.
Otrs likums, entropija un procesi
Otrais termodinamikas likums nosaka, ka izolētā sistēmā entropija S tendē palikt nemainīga (reversīvos procesos) vai palielināties (reālajos, neatgriezeniskajos procesos). Entropija ir mērs tam, cik iespējamo mikrostāvokļu skaits atbilst konkrētam makrostāvoklim — šis skaidrojums sasaista klasisko termodinamiku ar statistisko termodinamiku.
No otrā likuma izriet arī ierobežojumi energetikas pārveides efektivitātei: pilnīgi efektīvs (100%) siltumenerģijas pārveidotājs, kas pārvērš visu siltumu darbā, ideālā gadījumā pastāv tikai reversīvos procesos un ar temperatūras starpību nav iespējams apiet šos ierobežojumus. Tas arī izskaidro, kāpēc siltummotoriem un ledusskapjiem ir noteikta maksimālā efektivitāte (piem., Karmana–Carnot ierobežojums).
Statistiskā termodinamika un mikroskābele
Statistiskā termodinamika saista makroskopiskos termodinamikas lielumus ar mikroskopisko daļiņu izkārtojumu un kustību. Piemēram, temperatūra ir vidējā kinētiskā enerģija daļiņas līmenī, bet entropija saistīta ar to, cik daudz dažādu mikrostāvokļu atbilst novērotajam makrostāvoklim (Boltzmanna formula S = k ln W).
Praktiskas sekas un pielietojumi
Termodinamika ir pamats daudzām tehnoloģijām un zinātnes jomām:
- Enerģētika — siltummotori, turbīnas, termoelektriskie ierīces.
- Refrigerācija un sildīšana — ledusskapji, gaisa kondicionieri, siltumsūkņi.
- Ķīmija un materiālzinātne — reakciju siltuma bilances, fāžu pārejas, materiālu termiskās īpašības.
- Bioloģija — metaboliskie procesi un enerģijas aprite šūnās.
Kopsavilkums
Termodinamika palīdz saprast, kā ļoti mazu atomu un daļiņu uzvedība ietekmē liela mēroga procesus, ko mēs redzam ikdienā. Tai ir divas galvenās pieejas — klasiskā un statistiskā termodinamika — un centrālais jēdziens ir termodinamiskā sistēma. Sapratne par siltumu, darbu, enerģiju un entropiju ļauj risināt gan teorētiskus jautājumus, gan praktiskas inženiertehniskas problēmas.
Termodinamikas likumi
Ir četri termodinamikas likumi, kas nosaka, kā enerģija var tikt pārvietota starp diviem objektiem siltuma veidā.
- Zerotais termodinamikas likums
Ja divām sistēmām ir vienāda siltuma plūsma uz priekšu un atpakaļ, un vienai no šīm divām sistēmām ir vienāda siltuma plūsma uz priekšu un atpakaļ ar citu sistēmu, tad visām trim sistēmām ir vienāda siltuma plūsma savā starpā.
Enerģijas pieaugums sistēmā ir tas pats, kas enerģija, kas tiek nodota sistēmai siltuma vai darba veidā. Enerģiju nevar radīt vai iznīcināt, to var tikai mainīt. Enerģijas daudzums, kas tiek nodots sistēmai, ir tāds pats enerģijas daudzums, kas tiek paņemts no apkārtējās vides.
Ja ir pāris sistēmu, kas saskaras ar dažādām temperatūrām, siltums plūst no karstās uz auksto, līdz abu sistēmu temperatūra kļūst vienāda.
- Trešais termodinamikas likums
Ja sistēmas temperatūra ir 0 kelvīnu, absolūtā nulle (zemākā temperatūra), entropija (enerģija, ko nevar izmantot darba veikšanai) ir vienāda ar 0.
Termodinamikas pielietojums
Agrāk termodinamika tika pētīta, lai uzlabotu tvaika dzinēju darbību. Tagad termodinamikas idejas tiek izmantotas visur, sākot no dzinēju izgatavošanas un beidzot ar melno caurumu izpēti.
Zinātnieki izmanto termodinamiku daudzu iemeslu dēļ. Viens no tiem ir, lai izgatavotu labākus dzinējus un ledusskapjus. Cits mērķis ir izprast ikdienā izmantojamo materiālu īpašības, lai nākotnē tos varētu padarīt izturīgākus. Termodinamiku izmanto arī ķīmijā, lai izskaidrotu, kuras reakcijas notiks un kuras ne (šo pētījumu sauc par ķīmisko kinētiku). Termodinamika ir spēcīga, jo vienkārši atomu modeļi labi darbojas, skaidrojot lielu sistēmu, piemēram, ķieģeļu, īpašības.
Saistītās lapas
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir termodinamika?
A: Termodinamika ir fizikas nozare, kas pēta attiecības starp siltumu, temperatūru un enerģiju.
J: Kā termodinamikā izmanto matemātiku?
A: Lai aplūkotu daļiņu kustību, termodinamikā bieži izmanto matemātiku, jo īpaši statistiku.
J: Kādi ir daži termodinamikas pielietojumi?
A: Termodinamika palīdz mums saprast, kā ļoti mazu atomu pasaule ir saistīta ar liela mēroga pasauli, ko mēs redzam ikdienā. Tai ir arī divas galvenās nozares - klasiskā termodinamika un statistiskā termodinamika.
J: Kāds ir termodinamiskas sistēmas piemērs?
A: Termodinamiskas sistēmas piemērs ir ķieģelis, kas sastāv no daudziem atomiem ar savām īpašībām.
J: Kas ir ekstensīvās īpašības?
A: Ekstensīvās īpašības ir tādas, ko iegūst, saskaitot visus atomus, piemēram, tilpums, enerģija, masa un lādiņš, jo diviem vienādiem ķieģeļiem kopā ir divreiz lielāka masa nekā vienam ķieģelim.
J: Kas ir intensīvās īpašības?
A: Intensīvās īpašības ir tās, ko iegūst, ņemot vērā visu atomu vidējo vērtību, piemēram, temperatūru, spiedienu un blīvumu, jo diviem vienādiem ķieģeļiem joprojām ir tāda pati temperatūra kā vienam ķieģelim.
Meklēt