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.