Mokyklinė enciklopedija. Termodinamikos pagrindai: pagrindinės sąvokos ir apibrėžimai

Jei dėl šilumos mainų į kūną perduodamas tam tikras šilumos kiekis, tai keičiasi vidinė kūno energija ir jo temperatūra. Šilumos kiekis K reikalingas 1 kg medžiagos pašildyti 1 K, vadinamas specifiniu medžiagos šiluminė talpa c. Tada šilumos kiekis(energijos), reikalingos tam tikros masės kūno temperatūrai pakeisti m galima apskaičiuoti pagal formulę:

Be to, šioje formulėje visiškai nesvarbu, kokiais vienetais pakeičiama temperatūra, nes mums svarbu ne absoliuti jos vertė, o pokytis. Medžiagos savitosios šiluminės talpos matavimo vienetas: J/(kg∙K).

• Jeigu t 2 > t 1, tada K> 0 – kūnas įkaista (gauna šilumą).
• Jeigu t 2 < t 1, tada K < 0 – тело охлаждается (отдает тепло).

Kūno masės ir medžiagos, iš kurios jis pagamintas, savitosios šiluminės talpos sandauga vadinamas kūno šiluminė talpa(t. y. tiesiog šilumos talpa be žodžio „specifinis“):

Jei problemos teiginys sako apie kūno šiluminę talpą, tada šio kūno duodamą ar gaunamą šilumos kiekį galima apskaičiuoti pagal formulę:

Taigi atsiminkite:

• Savitoji šiluminė talpa žymima maža raide c ir yra medžiagos charakteristika.
• (Paprasta) Šiluminė talpa žymima didžiąja raide C ir yra tam tikro kūno charakteristika.

Prisiminkite, kad šilumos kiekis K bet kurio šaltinio (šildytuvo) pateiktas apskaičiuojamas pagal formulę: K = Pt, Kur: P- šaltinio galia, t– laikas, per kurį šaltinis skleidė šilumą. Spręsdami problemas, nepainiokite šaltinio veikimo laiko ir temperatūros.

Fazinės transformacijos

Medžiagos fazė yra vienalytė sistema, pavyzdžiui, kietas kūnas, kurio fizinės savybės visuose taškuose yra vienodos. Įprastomis sąlygomis yra aiškiai apibrėžta sąsaja (paviršius) tarp skirtingų cheminės medžiagos fazių. Pasikeitus išorinėms sąlygoms (temperatūra, slėgis, elektriniai ir magnetiniai laukai), medžiaga gali pereiti iš vienos fazės į kitą. Tokie procesai vadinami fazinėmis transformacijomis (perėjimais).

Fazinio perėjimo iš skystos į dujinę būseną procesas ( garinimas) arba iš kieto į skystą ( tirpstantis) gali atsirasti tik tada, kai medžiagai perduodamas tam tikras šilumos kiekis. Atvirkštiniai fazių perėjimai ( kondensacija Ir kristalizacija, arba grūdinimas) kartu išsiskiria tiek pat šilumos.

Šilumos kiekis, patenkantis į sistemą arba iš jos išeinantis, keičia jos vidinę energiją. Tai reiškia, kad garo vidinė energija 100°C temperatūroje yra didesnė nei skysčio toje pačioje temperatūroje. Šie fazių perėjimai vyksta esant pastovioms temperatūroms, kurios atitinkamai vadinamos virimo ir lydymosi temperatūra. Šilumos kiekis, reikalingas skysčiui paversti garais arba išsiskiriantis iš garų kondensacijos metu, vadinamas garavimo šiluma:

Kur: r – specifinė garavimo šiluma. Matavimo vienetas [ r] = 1 J/kg. Fizikinė savitosios garavimo šilumos reikšmė: ji lygi šilumos kiekiui, reikalingam 1 kg skysčio virimo temperatūroje paversti garais. Norint skystį paversti garais, skysčio užvirinti nereikia. Vanduo gali virsti garais net kambario temperatūroje. Šis procesas vadinamas garinimas.

Šilumos kiekis, reikalingas kūnui ištirpti arba išsiskiriantis kristalizacijos (kietėjimo) metu, vadinamas sintezės šiluma:

Kur: λ – specifinė lydymosi šiluma. Matavimo vienetas [ λ ] = 1 J/kg. Fizinė savitosios lydymosi šilumos reikšmė: šiluma, reikalinga 1 kg medžiagos ištirpti jos lydymosi temperatūroje. Specifinės garavimo ir lydymosi šilumos taip pat vadinamos latentinėmis, nes fazių virsmų metu sistemos temperatūra nekinta, nepaisant to, kad jai tiekiama šiluma.

Atkreipkite dėmesį, kad fazių perėjimų metu sistemos temperatūra nekinta. Ir taip pat, kad patys fazių perėjimai prasideda tik pasiekus reikiamą temperatūrą.

Labiausiai paplitęs energijos šaltinis žmogaus poreikiams yra kuras – medžiaga, kurią degant išsiskiria tam tikras šilumos kiekis. Šilumos kiekis, išsiskiriantis deginant kuro masę m, paskambino kuro degimo šilumos:

Kur: q – savitoji degimo šiluma(kaloringumas, kaloringumas) kuro. Matavimo vienetas [ q] = 1 J/kg. Fizinė kuro savitosios degimo šilumos reikšmė: reikšmė, rodanti, kiek šilumos išsiskiria visiškai sudegus 1 kg kuro.

Šilumos balanso lygtis

Pagal energijos tvermės dėsnį uždarai kūnų sistemai, kurioje nevyksta jokie energijos virsmai, išskyrus šilumos mainus, karštesnių kūnų išskiriamas šilumos kiekis yra lygus šaltesnių kūnų gaunamam šilumos kiekiui. Šilumos mainai sustoja esant termodinaminės pusiausvyros būsenai, t.y. kai visų sistemos kūnų temperatūra tampa vienoda. Suformuluokime šilumos balanso lygtį: uždaroje kūnų sistemoje visų šilumos mainuose dalyvaujančių kūnų duodamų ir gaunamų šilumos kiekių algebrinė suma lygi nuliui:

Naudodami šią šilumos balanso lygties rašymo formą, kad nesuklystumėte, atminkite: kai skaičiuojate šilumą šildant ar vėsinant kūną, reikia iš aukštesnės temperatūros atimti žemesnę temperatūrą, kad šiluma visada būtų teigiamas. Jei visa šiluma parašyta atsižvelgiant į ženklą, kur „+“ atitinka kūno energijos gavimą, o „–“ – išsiskyrimą, tada šilumos balanso lygtis gali būti parašyta taip:

Naudodami šią įrašymo formą, visada turite atimti pradinę temperatūrą iš galutinės temperatūros. Taikant šį metodą, jų skirtumo ženklas pats „parodys“, ar kūnas duoda, ar gauna šilumą.

Prisimink tai organizmas sugeria šilumą, jei atsitinka:

• Šildymas,
• Tirpimas,
• Garinimas.

Kūnas išskiria šilumą, jei atsitinka:

• Aušinimas,
• Kristalizacija,
• Kondensatas,
• Kuro deginimas.

Būtent šioje temoje prasminga problemas spręsti ne bendra forma, o iš karto pakeisti skaičius.

Abipusiai mechaninės ir vidinės energijos virsmai

Neelastinio smūgio metu mechaninė energija iš dalies arba visiškai virsta vidine kūnų energija, tai yra kūnai gali įkaisti ir ištirpti. Apskritai mechaninės energijos pokytis yra lygus išsiskiriančios šilumos kiekiui.

Idealus darbas dujomis

Termodinamika yra mokslas apie šiluminius reiškinius. Priešingai nei molekulinė kinetinė teorija, kuri daro išvadas remdamasi idėjomis apie medžiagos molekulinę struktūrą, termodinamika remiasi pačiais bendriausiais šiluminių procesų dėsniais ir makroskopinių sistemų savybėmis. Termodinamikos išvados pagrįstos eksperimentinių faktų rinkiniu ir nepriklauso nuo mūsų žinių apie materijos vidinę struktūrą, nors daugeliu atvejų termodinamika savo išvadoms iliustruoti naudoja molekulinius kinetinius modelius.

Termodinamika laiko izoliuotas kūnų sistemas būsenoje termodinaminė pusiausvyra. Tai reiškia, kad tokiose sistemose visi stebimi makroskopiniai procesai nutrūko. Svarbi termodinaminės pusiausvyros sistemos savybė yra visų jos dalių temperatūros išlyginimas.

Jei termodinaminė sistema buvo paveikta išorinių poveikių, ji ilgainiui pereis į kitą pusiausvyros būseną. Šis perėjimas vadinamas termodinaminis procesas. Jei procesas vyksta pakankamai lėtai (riboje be galo lėtai), tada sistema kiekvienu laiko momentu pasirodo esanti arti pusiausvyros būsenos. Vadinami procesai, susidedantys iš pusiausvyros būsenų sekos kvazistatinis(arba beveik stacionarus, kitas tokių procesų pavadinimas yra pusiausvyra).

Izobariniame procese idealus darbas dujomis galima apskaičiuoti naudojant formules:

Dar kartą pabrėžkime: dujų plėtimosi darbą pagal šias formules galima apskaičiuoti tik tada, kai slėgis yra pastovus. Pagal šią formulę dujos besiplečiant atlieka teigiamą, o suspaudus neigiamą darbą (t.y. dujos priešinasi suspaudimui ir reikia jas dirbti, kad tai įvyktų).

Dėl to, kad dujų darbas skaitine prasme lygus plotui po grafiku, tampa aišku, kad darbo kiekis priklauso nuo to, koks procesas vyko, nes kiekvienas procesas turi savo grafiką ir savo plotą po grafiku. tai. Taigi darbas priklauso ne tik ir ne tiek nuo pradinės ir galutinės dujų būsenos, kiek nuo proceso, kuriuo buvo pasiekta galutinė būsena.

Vidinė energija

Viena iš svarbiausių termodinamikos sąvokų yra vidinė energija kūnai. Visų makroskopinių kūnų energija yra pačiuose kūnuose. Molekulinės kinetinės teorijos požiūriu, vidinė medžiagos energija susideda iš visų atomų ir molekulių kinetinės energijos bei potencialios jų tarpusavio sąveikos energijos. Visų pirma, idealių dujų vidinė energija yra lygi visų dujų dalelių kinetinės energijos sumai, esant nuolatiniam ir atsitiktiniam šiluminiam judėjimui. Idealių dujų vidinė energija priklauso tik nuo jų temperatūros ir nepriklauso nuo tūrio. Vidinė energija Monatominės idealios dujos apskaičiuojamos pagal formules:

Taigi, vidinė energija U kūnas yra vienareikšmiškai nulemtas makroskopinių parametrų, charakterizuojančių kūno būklę. Tai nepriklauso nuo to, kaip ši būsena buvo įgyvendinta. Paprastai sakoma, kad vidinė energija yra būsenos funkcija. Tai reiškia, kad vidinės energijos pokytis nepriklauso nuo to, kaip sistema buvo perkelta iš vienos būsenos į kitą (o priklauso tik nuo pradinės ir galutinės būsenos charakteristikų) ir visada, bet kokiame procese, kai vyksta monoatominės idealios dujos, yra nustatomas. pagal posakį:

Atkreipkite dėmesį:ši formulė tinka tik monoatominėms dujoms, tačiau ji taikoma visiems procesams (ir ne tik izobariniams, kaip darbo formulė). Kaip matyti iš formulės, jei temperatūra nesikeičia, tai vidinė energija išlieka pastovi.

Pirmasis termodinamikos dėsnis

Jei sistema keičiasi šiluma su aplinkiniais kūnais ir veikia (teigiama arba neigiama), tai keičiasi sistemos būsena, tai yra, keičiasi jos makroskopiniai parametrai (temperatūra, slėgis, tūris). Kadangi vidinė energija U yra vienareikšmiškai nulemtas makroskopinių parametrų, apibūdinančių sistemos būseną, tai reiškia, kad šilumos mainų ir darbo procesus lydi Δ pokytis U vidinė sistemos energija.

Pirmasis termodinamikos dėsnis (pradžia). yra energijos tvermės ir transformacijos dėsnio apibendrinimas termodinaminei sistemai. Jis suformuluotas taip: Keisti Δ U neizoliuotos termodinaminės sistemos vidinė energija yra lygi šilumos kiekio skirtumui K, perkelta į sistemą, ir darbas A, tobula išorinių kūnų sistema. Tačiau ryšys, išreiškiantis pirmąjį termodinamikos dėsnį, dažnai rašomas šiek tiek kitokia forma:

Sistemos gaunamas šilumos kiekis eina keisti jos vidinę energiją ir atlikti išorinių kūnų darbus (ši formuluotė patogesnė ir suprantamesnė; tokia forma visiškai akivaizdu, kad tai tiesiog energijos tvermės dėsnis).

Pirmasis termodinamikos dėsnis yra eksperimentinių faktų apibendrinimas. Pagal šį dėsnį energija negali būti sukurta ar sunaikinta; ji perduodama iš vienos sistemos į kitą ir transformuojama iš vienos formos į kitą. Svarbi pirmojo termodinamikos dėsnio pasekmė yra teiginys, kad neįmanoma sukurti mašinos, galinčios atlikti naudingą darbą, nenaudojant energijos iš išorės ir be jokių pokyčių pačioje mašinoje. Tokia hipotetinė mašina buvo vadinama pirmosios rūšies amžinuoju varikliu (perpetuum mobile). Daugybė bandymų sukurti tokią mašiną visada baigėsi nesėkme. Bet kuri mašina gali atlikti teigiamą darbą A virš išorinių kūnų tik dėl tam tikro šilumos kiekio gavimo K nuo aplinkinių kūnų arba mažėjantis Δ U jūsų vidinė energija.

Adiabatinis (adiabatinis) yra procesas, kurio metu sistema nekeičia šilumos su aplinka. Adiabatiniame procese K= 0. Todėl: Δ U + A= 0, tai yra: A = – Δ U. Dujos veikia mažindamos savo vidinę energiją.

Pirmasis termodinamikos ir izoprocesų dėsnis

Įvairiems izoprocesams galima parašyti formules, pagal kurias galima apskaičiuoti gaunamą šilumą K, vidinės energijos pokytis Δ U ir dujų darbai A. Izochorinis procesas ( V= const):

Izobarinis procesas ( p= const):

Izoterminis procesas ( T= const):

Adiabatinis procesas ( K = 0):

Jei užduotyje nėra aiškiai nurodyta, kad dujos yra monoatominės (arba viena iš inertinių dujų, pavyzdžiui, helis, neįvardijama), šio skyriaus formulės negali būti naudojamos.

Ciklai. Šiluminės mašinos

Šilumos variklis yra įrenginys, galintis paversti gautą šilumos kiekį mechaniniu darbu. Mechaniniai darbai šiluminiuose varikliuose atliekami kai kurios medžiagos, vadinamos darbiniu skysčiu, plėtimosi procese. Kaip darbinis skystis dažniausiai naudojamos dujinės medžiagos (benzino garai, oras, vandens garai). Darbinis skystis gauna (arba išskiria) šiluminę energiją šilumos mainų su kūnais, turinčiais daug vidinės energijos, procese. Šie kūnai vadinami šiluminiais rezervuarais.

Realūs šilumos varikliai (garo varikliai, vidaus degimo varikliai ir kt.) veikia cikliškai. Periodiškai kartojamas šilumos perdavimo procesas ir gauto šilumos kiekio pavertimas darbu. Norėdami tai padaryti, darbinis skystis turi pereiti žiedinį procesą arba termodinaminį ciklą, kurio metu periodiškai atkuriama pradinė būsena.

Bendra visų žiedinių procesų savybė yra ta, kad jų negalima atlikti, kai darbinis skystis šiluminiu būdu kontaktuoja tik su vienu terminiu rezervuaru. Jums reikia bent dviejų iš jų. Aukštesnės temperatūros šiluminis rezervuaras vadinamas šildytuvas o su žemesniu – šaldytuvas. Vykdydamas žiedinį procesą, darbinis skystis iš šildytuvo gauna tam tikrą šilumos kiekį K 1 > 0 ir perduoda šilumos kiekį į šaldytuvą K 2 < 0.

Šilumos variklio efektyvumas galima apskaičiuoti pagal formulę:

Kur: K 1 – šilumos kiekis, kurį darbinis skystis gauna per vieną ciklą iš šildytuvo, K 2 – per vieną ciklą darbinio skysčio į šaldytuvą perduodamas šilumos kiekis. Šilumos variklio atliktas darbas per vieną ciklą:

Naudingumo koeficientas parodo, kiek šiluminės energijos, kurią darbinis skystis gavo iš „karšto“ šiluminio rezervuaro, pavertė naudingu darbu. Likusieji (1- η ) buvo „nenaudingai“ perduotas į šaldytuvą. Šilumos variklio efektyvumas visada yra mažesnis už vienetą ( η < 1).

Didžiausias efektyvumas esant tam tikroms šildytuvo temperatūroms T 1 ir šaldytuvas T 2, pasiekiamas, jei šilumos variklis veikia pagal Carnot ciklas. Carnot ciklas susideda iš dviejų izotermų ir dviejų adiabatų. Carnot ciklo efektyvumas lygus:

Antrasis termodinamikos dėsnis (antrasis dėsnis).

Pirmasis termodinamikos dėsnis nenustato šiluminių procesų krypties. Tačiau, kaip rodo patirtis, daugelis šiluminių procesų gali vykti tik viena kryptimi. Tokie procesai vadinami negrįžtamaisiais. Pavyzdžiui, dviejų skirtingų temperatūrų kūnų terminio kontakto metu šilumos srautas visada nukreipiamas iš šiltesnio kūno į šaltesnį. Niekada nevyksta savaiminis šilumos perdavimo procesas iš kūno su žema temperatūra į kūną su aukštesne temperatūra. Vadinasi, šilumos perdavimo procesas esant baigtiniam temperatūrų skirtumui yra negrįžtamas.

Grįžtamieji procesai yra sistemos perėjimo iš vienos pusiausvyros būsenos į kitą procesai, kurie gali būti vykdomi priešinga kryptimi per tą pačią tarpinių pusiausvyros būsenų seką. Tokiu atveju pati sistema ir aplinkiniai kūnai grįžta į pradinę būseną.

Negrįžtama Tai mechaninio darbo pavertimo vidine kūno energija procesai dėl trinties, difuzijos dujose ir skysčiuose procesai, dujų maišymosi procesai esant pradiniam slėgio skirtumui ir kt. Visi realūs procesai yra negrįžtami, tačiau jie gali priartėti prie grįžtamųjų procesų taip arti, kiek norisi. Grįžtamieji procesai yra realių procesų idealizavimas.

Pirmasis termodinamikos dėsnis negali atskirti grįžtamųjų procesų nuo negrįžtamų. Tai tiesiog reikalauja tam tikro energijos balanso iš termodinaminio proceso ir nieko nesako apie tai, ar toks procesas įmanomas, ar ne. Spontaniškai vykstančių procesų kryptį nustato antrasis termodinamikos dėsnis. Jis gali būti suformuluotas kaip tam tikrų tipų termodinaminių procesų draudimas.

Anglų fizikas W. Kelvinas 1851 metais pateikė tokią antrojo dėsnio formuluotę: Cikliškai veikiančiame šilumos variklyje neįmanomas procesas, kurio vienintelis rezultatas būtų viso šilumos kiekio, gauto iš vienas šilumos rezervuaras.

Hipotetinis šilumos variklis, kuriame galėtų vykti toks procesas, vadinamas „antros rūšies amžinuoju varikliu“. Kaip ir turėjo paaiškėti, antrasis termodinamikos dėsnis draudžia tokio variklio egzistavimą.

Vokiečių fizikas R. Clausius pateikė dar vieną antrojo termodinamikos dėsnio formuluotę: Neįmanomas procesas, kurio vienintelis rezultatas būtų energijos perdavimas šilumos mainų būdu iš žemos temperatūros kūno į aukštesnės temperatūros kūną.

Reikia pažymėti, kad abi antrojo termodinamikos dėsnio formuluotės yra lygiavertės.

Sudėtingos termodinamikos problemos

• Sprendžiant įvairias nestandartines termodinamikos problemas, reikia atsižvelgti į šias pastabas: p(V Norint rasti darbą, kurį atlieka idealios dujos, reikia sudaryti proceso grafiką koordinatėmis p(T) ir raskite paveikslo plotą po grafiku. Jei proceso grafikas pateiktas koordinatėmis V(T) arba p(V), tada pirmiausia atkuriama į koordinates p(V).
• ). Jei sąlyga nurodo matematinį ryšį tarp dujų parametrų, pirmiausia suraskite ryšį tarp slėgio ir tūrio, o tada sukurkite grafiką
• Daltono dėsnis naudojamas dujų mišinio atliekamam darbui nustatyti.
• Paprastai tariant, dujų slėgis ir temperatūra gali būti matuojami tik esant termodinaminei pusiausvyrai, kai slėgis ir temperatūra visuose indo taškuose yra vienodi. Tačiau būna situacijų, kai slėgis visuose taškuose vienodas, o temperatūra – ne. Tai gali būti skirtingos molekulių koncentracijos skirtingose ​​indo dalyse pasekmė (išanalizuokite formulę: p = nkT).
• Kartais termodinamikos uždaviniuose reikia panaudoti mechanikos žinias.

Ciklo efektyvumo skaičiavimas pagal grafiką

Šios temos problemos pagrįstai laikomos viena sunkiausių termodinamikos problemų. Taigi, norėdami išspręsti, pirmiausia turėsite konvertuoti proceso grafiką į p(V) – koordinatės. Antra, būtina apskaičiuoti dujų darbą per ciklą. Naudingas darbas lygus figūros plotui ciklinio proceso grafike koordinatėmis p(V). Trečia, reikia išsiaiškinti, kur dujos gauna ir kur išskiria šilumą. Norėdami tai padaryti, prisiminkite pirmąjį termodinamikos dėsnį. Idealių dujų vidinė energija priklauso tik nuo jų temperatūros, o darbas – nuo ​​tūrio. Štai kodėl, dujos gauna šilumą, Jei:

• Padidėja ir jo temperatūra, ir tūris;
• Tūris didėja, bet temperatūra išlieka pastovi;
• Temperatūra pakyla, bet tūris išlieka pastovus.

Dujos išskiria šilumą, Jei:

• Sumažėja ir jo temperatūra, ir tūris;
• Tūris mažėja, bet temperatūra išlieka pastovi;
• Temperatūra mažėja, bet tūris išlieka pastovus.

Jei vienas iš parametrų didėja, o kitas mažėja, norint suprasti, ar dujos atiduoda šilumą, ar ją priima, reikia tiesiogiai apskaičiuoti šilumą naudojant pirmąjį termodinamikos dėsnį ir pažvelgti į jo ženklą. Teigiama šiluma – ją gauna dujos. Neigiamas – duoda.

Pirmojo tipo užduotys. IN p(V) – koordinatės, ciklo grafikas yra figūra su lengvai apskaičiuojamu plotu, o dujos šilumą gauna izochoriniuose ir izobariniuose procesuose. Taikykite formulę:

Atkreipkite dėmesį, kad vardiklyje yra tik šiluma, kurią dujos gauna per vieną ciklą, tai yra šiluma tik tuose procesuose, kuriuose dujos ją gavo.

Antro tipo užduotys. IN p(V) – koordinatės, ciklo grafikas yra figūra su lengvai apskaičiuojamu plotu, o dujos išskiria šilumą izochoriniuose ir izobariniuose procesuose. Taikykite formulę:

Atkreipkite dėmesį, kad vardiklyje yra tik šiluma, kurią dujos išskiria per vieną ciklą, tai yra šiluma tik tuose procesuose, kurių metu dujos ją atiduoda.

Trečio tipo užduotys. Dujos negauna šilumos izochoriniuose ar izobariniuose procesuose, kuriuos patogu skaičiuoti, cikle yra izotermų arba adiabatų, arba visai nėra. Taikykite formulę:

Garų savybės. Drėgmė

Bet kuri medžiaga tam tikromis sąlygomis gali būti skirtingos agregacijos būsenos - sunku, skystis Ir dujinis. Perėjimas iš vienos būsenos į kitą vadinamas fazių perėjimas. Garavimas ir kondensacija yra fazių perėjimų pavyzdžiai.

Garavimas vadinamas faziniu perėjimu iš skystos į dujinę būseną. Molekulinės kinetinės teorijos požiūriu garavimas – tai procesas, kurio metu iš skysčio paviršiaus išskrenda greičiausios molekulės, kurių kinetinė energija viršija jų ryšio su likusiomis skysčio molekulėmis energiją. Dėl to sumažėja likusių molekulių vidutinė kinetinė energija, tai yra, skystis atšaldomas (jei nėra energijos tiekimo iš aplinkinių kūnų).

Kondensatas– Tai atvirkštinis garavimo procesas. Kondensacijos metu garų molekulės grįžta į skystį.

Uždarame inde skystis ir jo garai gali būti dinaminės pusiausvyros būsenoje, t.y. iš skysčio išeinančių molekulių skaičius lygus iš garų į skystį grįžtančių molekulių skaičiui, vadinasi, garavimo ir kondensacijos procesų greičiai yra vienodi. Tokia sistema vadinama dvifazis. Garai, esantys pusiausvyroje su skysčiu, vadinami turtingas.

Sotieji garai turi didžiausią: slėgį, koncentraciją, tankį tam tikroje temperatūroje. Jie priklauso tik nuo sočiųjų garų temperatūros, bet ne nuo jo tūrio.

Tai reiškia, kad jei indą uždarytume ne dangteliu, o stūmokliu, o garams prisotinus pradėtume juos spausti, tada garų slėgis, tankis ir koncentracija nepasikeistų. Tiksliau, trumpam padidėtų slėgis, tankis ir koncentracija, o garai taptų persotinti. Bet iš karto dalis garų pavirstų vandeniu, o garų parametrai taptų vienodi. Jei pakelsite stūmoklį, garai nebebus prisotinti. Tačiau dėl išgaravimo po kurio laiko jis vėl taps prisotintas. Čia reikia atsižvelgti į tai, kad jei indo dugne vandens nėra arba jo yra mažai, tai šio išgaravimo gali nepakakti, kad garai vėl prisisotintų.

• Frazė: „Uždarame inde su vandeniu...“ reiškia, kad virš vandens yra sočiųjų garų.
• Krinta rasa reiškia, kad garai tampa prisotinti.

Absoliuti drėgmė ρ vadiname vandens garų kiekį, esantį 1 m 3 oro (t. y. tiesiog vandens garų tankį; masės ir tūrio santykis išreiškiamas pagal Clapeyrono-Mendelejevo lygtį ir gaunama tokia formulė):

Kur: r- dalinis vandens garų slėgis, M- molinė masė, R- universali dujų konstanta, T– absoliuti temperatūra. SI absoliučios drėgmės vienetas [ ρ ] = 1 kg/m3, nors dažniausiai naudojamas 1 g/m3.

Santykinė drėgmė φ vadinamas absoliučios drėgmės santykiu ρ iki tokio vandens garų kiekio ρ 0, reikalinga tam tikroje temperatūroje prisotinti 1 m3 oro:

Santykinė drėgmė taip pat gali būti apibrėžta kaip vandens garų slėgio santykis r iki sočiųjų garų slėgio r 0 tam tikroje temperatūroje:

Išgaruoti gali ne tik nuo paviršiaus, bet ir didžiojoje skysčio dalyje. Skysčiuose visada yra mažyčių dujų burbuliukų. Jei skysčio garų slėgis yra lygus arba didesnis už išorinį slėgį (ty dujų slėgį burbuliukuose), skystis išgaruos į burbuliukus. Garų užpildyti burbuliukai plečiasi ir išplaukia į paviršių. Šis procesas vadinamas verdantis. Taigi skysčio virimas prasideda tokioje temperatūroje, kurioje jo sočiųjų garų slėgis tampa lygus išoriniam slėgiui.

Visų pirma, esant normaliam atmosferos slėgiui, vanduo užverda 100°C temperatūroje. Tai reiškia, kad esant tokiai temperatūrai sočiųjų vandens garų slėgis yra 1 atm. Svarbu žinoti, kad skysčio virimo temperatūra priklauso nuo slėgio. Hermetiškai uždarytame inde skystis virti negali, nes... Esant kiekvienai temperatūros vertei, susidaro pusiausvyra tarp skysčio ir jo sočiųjų garų.

Paviršiaus įtempimas

Skystoje būsenoje esančios medžiagos molekulės yra beveik arti viena kitos. Skirtingai nuo kietų kristalinių kūnų, kuriuose molekulės sudaro tvarkingas struktūras visame kristalo tūryje ir gali atlikti šilumines vibracijas aplink fiksuotus centrus, skystos molekulės turi didesnę laisvę. Kiekviena skysčio molekulė, kaip ir kietoje medžiagoje, iš visų pusių yra „suspausta“ gretimų molekulių ir patiria šiluminius virpesius aplink tam tikrą pusiausvyros padėtį. Tačiau laikas nuo laiko bet kuri molekulė gali pereiti į gretimą laisvą vietą. Tokie šuoliai skysčiuose pasitaiko gana dažnai; todėl molekulės nėra susietos su konkrečiais centrais, kaip kristaluose, ir gali judėti per visą skysčio tūrį. Tai paaiškina skysčių sklandumą.

Dėl tankios molekulių pakuotės skysčių suspaudžiamumas, tai yra tūrio pokytis keičiantis slėgiui, yra labai mažas; jis yra dešimtis ir šimtus tūkstančių kartų mažesnis nei dujose.

Įdomiausia skysčių savybė yra laisvo paviršiaus buvimas. Skystis, skirtingai nei dujos, neužpildo viso indo, į kurį jis pilamas, tūrio. Tarp skysčio ir dujų (arba garų) susidaro sąsaja, kuri yra ypatingomis sąlygomis, palyginti su likusiu skysčiu. Skysčio ribiniame sluoksnyje esančios molekulės, skirtingai nei jo gylyje esančios molekulės, iš visų pusių nėra apsuptos kitų to paties skysčio molekulių. Tarpmolekulinės sąveikos jėgos, veikiančios vieną iš skysčio viduje esančių molekulių iš gretimų molekulių, yra vidutiniškai kompensuojamos. Bet kurią ribinio sluoksnio molekulę traukia skysčio viduje esančios molekulės (gali būti nepaisoma jėgos, veikiančios tam tikrą skysčio molekulę iš dujų (arba garų) molekulių). Dėl to atsiranda tam tikra gaunama jėga, nukreipta giliai į skystį. Jei molekulė juda iš paviršiaus į skystį, tarpmolekulinės sąveikos jėgos atliks teigiamą darbą. Priešingai, norint iš skysčio gelmių į paviršių ištraukti tam tikrą molekulių skaičių (tai yra padidinti skysčio paviršiaus plotą), reikia išnaudoti teigiamą išorinių jėgų Δ darbą. A išorinis, proporcingas pokyčiui Δ S paviršiaus plotas.

Vadinasi, skysčio paviršinio sluoksnio molekulės turi perteklinę potencinę energiją, palyginti su skysčio viduje esančiomis molekulėmis. Potenciali energija E p skysčio paviršius proporcingas jo plotui:

Koeficientas σ paskambino paviršiaus įtempimo koeficientas (σ > 0). Taigi paviršiaus įtempimo koeficientas yra lygus darbui, kurio reikia norint padidinti skysčio paviršiaus plotą vienu vienetu esant pastoviai temperatūrai. SI, paviršiaus įtempimo koeficientas matuojamas džauliais kvadratiniam metrui (J/m2) arba niutonais vienam metrui (1 N/m = 1 J/m2).

Iš mechanikos žinoma, kad sistemos pusiausvyros būsenos atitinka minimalią jos potencialios energijos vertę (bet koks kūnas visada linkęs riedėti nuo kalno, o ne į jį lipti). Iš to išplaukia, kad laisvas skysčio paviršius linkęs mažinti jo plotą. Dėl šios priežasties laisvas skysčio lašas įgauna sferinę formą. Skystis elgiasi taip, tarsi jėgos, veikiančios liestinės jo paviršių, sutrauktų (trauktų) šį paviršių. Šios jėgos vadinamos paviršiaus įtempimo jėgos. Dėl paviršiaus įtempimo jėgų skysčio paviršius atrodo kaip elastinga ištempta plėvelė. Paviršiaus įtempimo jėga, veikianti skysčio ilgio ribos atkarpą L apskaičiuojamas pagal formulę:

Taigi paviršiaus įtempimo koeficientas σ gali būti apibrėžtas kaip paviršiaus įtempimo jėgos, veikiančios paviršių ribojančios linijos ilgio vienetą, modulis.

Kapiliariniai reiškiniai vadinamas skysčio pakilimu arba kritimu mažo skersmens vamzdeliuose – kapiliaruose. Drėkinantys skysčiai kapiliarais kyla aukštyn, o nedrėkantys skysčiai leidžiasi žemyn. Tuo pačiu metu skysčio kolonėlės aukštis kapiliare:

Kai visiškai šlapias θ = 0°, cos θ = 1. Šiuo atveju skysčio stulpelio aukštis kapiliare taps lygus:

Šioje svetainėje. Norėdami tai padaryti, jums nieko nereikia, o būtent: kiekvieną dieną skirkite tris ar keturias valandas pasiruošimui fizikos ir matematikos KT, teorijos studijoms ir problemų sprendimui. Faktas yra tas, kad KT yra egzaminas, kuriame neužtenka tik fizikos ar matematikos išmanymo, reikia sugebėti greitai ir be nesėkmių išspręsti daugybę įvairių temų ir įvairaus sudėtingumo užduočių. Pastarųjų galima išmokti tik išsprendus tūkstančius problemų.

Sėkmingas, kruopštus ir atsakingas šių trijų punktų įgyvendinimas leis jums parodyti puikų KT rezultatą, maksimalų, ką sugebate.

Radai klaidą?

Jei manote, kad mokymo medžiagoje radote klaidą, rašykite apie tai el. Taip pat galite pranešti apie klaidą socialiniame tinkle (). Laiške nurodykite dalyką (fizika ar matematika), temos ar testo pavadinimą arba numerį, uždavinio numerį arba vietą tekste (puslapyje), kur, jūsų nuomone, yra klaida. Taip pat aprašykite, kokia yra įtariama klaida. Jūsų laiškas neliks nepastebėtas, klaida bus arba ištaisyta, arba jums bus paaiškinta, kodėl tai nėra klaida.

Straipsnio turinys

TERMODINAMIKA, taikomosios fizikos arba teorinės šiluminės inžinerijos šaka, tirianti judėjimo virsmą šiluma ir atvirkščiai. Termodinamika atsižvelgia ne tik į šilumos pasiskirstymą, bet ir į fizinius bei cheminius pokyčius, susijusius su šilumos absorbcija medžiaga, taip pat, atvirkščiai, šilumos išsiskyrimą fizinių ir cheminių virsmų metu.

Termodinamika plačiai naudojama fizikinėje chemijoje ir cheminėje fizikoje analizuojant fizikinius ir cheminius procesus, šiuolaikinėje fiziologijoje ir biologijoje, variklių gamyboje, šilumos inžinerijoje, aviacijoje ir raketų bei kosmoso technologijose. Iš pradžių termodinamikoje daug dėmesio buvo skiriama grįžtamiems procesams ir pusiausvyros būsenoms, todėl jai atrodė tinkamesnis pavadinimas „termostatikai“, tačiau S. Arrheniuso (1859–1927) ir G. Eyringo (1901–1981) dėka jos taikymas cheminių reakcijų greičių analizei (cheminė kinetika). Šiuo metu pagrindinė termodinamikos problema yra jos taikymas negrįžtamiems procesams, ir jau padaryta didelė pažanga kuriant teoriją, savo apimtimi panašią į grįžtamųjų procesų termodinamiką.

ENERGIJA

Fiziniam kiekiui, kurį dabar vadiname energija, ilgą laiką buvo vartojamas terminas „gyvoji jėga“, kurį įvedė I. Niutonas (1643–1727). Tačiau kadangi „gyvoji jėga“ gali būti supainiota su įprasta jėga, pastaroji aiškumo dėlei turėjo būti vadinama „negyva jėga“, kuri negali būti laikoma sėkminga. Specialų terminą „energija“ 1807 metais įvedė T. Jungas (1773–1829).

Viena energijos rūšis yra darbas, kuris atliekamas kūnui judant, įveikiant tam tikros jėgos veikimą. Pavyzdys būtų vandens siurbimas į vandens bokštą. Teigiama, kad bokšte esantis vanduo turi potencialios energijos. Žemės gravitacinės traukos dėka šią energiją galima vėl paversti kinetine energija, t.y. į vamzdžiais tekančio vandens judėjimo energiją. Kai vanduo vamzdyje galiausiai sustoja dėl vidinės trinties, arba klampumo, ši energija paverčiama šiluma, t.y. šiluminė energija, kuri išsklaidoma aplinkoje.

Dar 1620 m. F. Baconas teigė, kad šiluma yra tiesiog kita judėjimo forma, tačiau tik 1789 m. tai užtikrintai nustatė B. Thompsonas (Rumfoordas), stebėdamas šilumos išsiskyrimą gręžiant patrankos vamzdį. Papildomo patvirtinimo suteikė H. Davy 1799 m.

Šie eksperimentai ir stebėjimai leido manyti, kad šiluminė ir mechaninė energija yra viena ir ta pati ir tikriausiai galima eksperimentiniu būdu rasti mechaninį šilumos ekvivalentą, t.y. darbo kiekis mechaniniais vienetais, atitinkantis tam tikrą šilumos kiekį šiluminiais vienetais.

Mechaninis šilumos ekvivalentas.

Pastebėjęs, kad vandens temperatūra medicininėje kolboje pakyla, kai ji kratoma keletą minučių, Yu Mayer 1842 m. apskaičiavo mechaninį šilumos ekvivalentą iš oro savitosios šiluminės talpos skirtumo esant pastoviam slėgiui ir pastoviam tūriui. Tuo metu tikslios šių specifinių šiluminių pajėgumų vertės dar nebuvo žinomos, todėl jo rezultatas nebuvo visiškai teisingas, nors ir teisingas pagal dydį. 1845 metais J. Joule'as tiksliai išmatavo šilumos kiekį, gautą mechaninį darbą paverčiant šilumine energija, ir patikslino Mayerio rezultatą.

Darbas.

Jei medžiagą riboja išorinė jėga, pvz., atmosferos slėgis P, tada pasikeitus jo garsui V, tarkim išsiplėtimas, dėl judėjimo prieš veikiančią jėgą, darbas atliktas. Bendrą atliktą darbą galima rasti kaip jėgos plotą, palyginti su atitinkamu dydžiu, kaip parodyta Fig. 1, kur retušavimu paryškintos srities plotas parodo dujų atliktą darbą plečiant nuo V 1 iki V 2. Šis nustatymo metodas yra būtinas, nes slėgis gali keistis. Mažai pasikeitus tūriui, slėgis labai nepasikeis, todėl nedidelis atlikto darbo kiekis bus lygus:

Taigi visas atliktas darbas

Kai dujos greitai suspaudžiamos, kai kurie su jais atliekami darbai gali pastebimai padidinti jų temperatūrą. Jeigu dujos yra termoizoliuotame inde (arba suspaudžiamos taip greitai, kad nespėja bent iš dalies atiduoti šilumos), toks tūrio pokytis vadinamas adiabatiniu. Jei dujos nėra termiškai izoliuotos, tada vyksta šilumos perdavimas ir dujos palaiko aplinkos temperatūrą. Šis tūrio pokytis vadinamas izoterminiu.

Energijos „naudingumas“.

Visiškas darbo pavertimas šiluma yra visiškai įmanomas, tačiau atvirkštinis visos šilumos pavertimas jam lygiaverčiu darbu yra neįmanomas. Prancūzų fizikas N. Carnot (1796–1832) tokią išvadą padarė dar 1824 m., remdamasis teoriniais samprotavimais. Atsižvelgdamas į visą grįžtamųjų darbinio skysčio pokyčių ciklą šilumos variklyje, kuriam pasibaigus šis kūnas grįžta į pradinę būseną, jis parodė, kad maksimalus šilumos pavertimo darbu efektyvumas nepriklauso nuo darbinio skysčio pobūdžio. , bet tik nuo maksimalios temperatūros, kuriai esant tiekiama šiluma, ir nuo minimalios temperatūros, kuriai esant ji pašalinama. Visiškas šilumos pavertimas darbu būtų įmanomas tik tada, kai minimali temperatūra būtų lygi absoliučiam nuliui, kuriai esant darbinis skystis neturėtų šiluminės energijos.

Absoliutaus nulio egzistavimą rodo dujų plėtimosi dėsnis. Kadangi aušinant nuo 0 iki -1 °C dujos suspaudžiamos 1/273, galima įsivaizduoti savotiškas „idealias“ dujas, kurios nesikondensuoja kaip tikros dujos, o toliau spaudžiasi mažėjant temperatūrai, kol tūris sumažėja iki nulio. esant -273° C. Tai būtų absoliuti nulinė temperatūra šiluminiam varikliui, kurio darbinis skystis yra idealios dujos. Atlikęs kur kas sudėtingesnius samprotavimus, W. Thomsonas (Kelvinas) (1824–1907) įrodė, kad tai tikrai absoliuti nulinė temperatūra, ir pristatė jo vardu pavadintą „termodinaminę“ temperatūros skalę. T(Kelvino skalė), pagal kurią T = 273,16 + t°C.

Pirmasis termodinamikos dėsnis.

Mašinos atliekamo naudingo darbo matas yra ploto skirtumas (3 pav., A Ir b), parodyta fig. 3, V. Nesunku įsivaizduoti, kad esant tam tikram tūrio pokyčiui, šis ploto skirtumas gali būti padidintas arba didinant T 1, arba nuleidimas T 2. Jei temperatūra T 1 yra fiksuotas (tai reiškia, kad bendras šilumos kiekis yra fiksuotas), tada mašinos atliekamą darbą galima padidinti tik mažinant T 2. Tai ypač aiškiai parodo „Mollier diagrama“ (temperatūros ir entropijos santykio grafikas), pateikta pav. 3, G. Naudingas darbas ir čia proporcingas skirtam plotui; šilumos tiekimą lemia plotas T 1 D S, o jo dalis, atitinkanti stačiakampio plotą T 2D S, „nenaudingas“ darbo atlikimo prasme. Taigi, nepriklausomai nuo temperatūros T 1, skiriasi nuo absoliutaus nulio, dalis tiekiamos šilumos negali būti paversta darbu.

Pirmiau pateikti svarstymai yra pagrindas Carnot formulei, kuri suteikia maksimalų galimą idealaus šiluminio variklio, veikiančio esant tam tikram šildytuvo ir šaldytuvo temperatūrų skirtumui, efektyvumą:

Tikra mašina negali dirbti tokiu efektyvumu, nes trintis ir šilumos nutekėjimas yra neišvengiami. Garo varikliui, veikiančiam, pavyzdžiui, esant 130° C (403 K) katilo temperatūrai ir 30° C (303 K) kondensatoriaus temperatūrai, termodinaminis efektyvumas yra 100/403, t.y. mažiau nei 25 proc.

Šaldytuvo ciklas.

Kadangi darbinis skystis Carnot cikle grįžta į pradinę būseną, galima įsivaizduoti atvirkštinės šilumos variklį. Jei tiesioginiame cikle darbui gauti naudojamas šilumos perdavimas iš šildytuvo į šaldytuvą, tai atvirkštiniame cikle dėl mechaninio darbo atlikimo šiluma iš šaldytuvo perduodama į šildytuvą, todėl šaldytuvas tampa dar šalčiau, o šildytuvas dar labiau įkaista. Tai yra šaldymo mašinos ciklas (naudojamas, pavyzdžiui, šaldytuvuose ir oro kondicionieriuose): namų šaldytuvo elektros variklio atliekamas darbas naudojamas šaldytuvo viduje palaikyti šaltą šildant aplinkinį orą.

Kiti šiluminių variklių ciklai.

Realiuose šiluminiuose varikliuose ciklai su izoterminiais procesais nenaudojami, nes tokie procesai reikalauja daug laiko. Pirmenybė teikiama adiabatiniams procesams, nes jie yra arčiau realybės greitai veikiančiose mašinose. Paprasčiausias iš šių ciklų yra Otto ciklas (4 pav., A), pavadintas vokiečių išradėjo ir inžinieriaus N. Otto (1832–1891) vardu. Šiame cikle šilumos tiekimas padidina dujų slėgį esant pastoviam tūriui, o tada dujos plečiasi adiabatiškai, kad atliktų naudingą darbą. Pasiekus tam tikrą tūrį, šiluma pašalinama, o dalis darbo skiriama adiabatiniam dujų suspaudimui, po kurio ciklas gali būti kartojamas. Efektyvumą lemia suspaudimo laipsnis r:

Kur g– pastovaus slėgio ir pastovaus tūrio dujų savitųjų šiluminių talpų santykis. Kuo daugiau r, tuo didesnis efektyvumas.

Dyzelino ciklas (4 pav., b) pavadintas vokiečių išradėjo R. Dieselio (1858–1913) vardu. Šiame cikle šiluma taip pat išsiskiria pastoviu tūriu po adiabatinio išsiplėtimo, tačiau tiekiama (po adiabatinio suspaudimo) esant pastoviam slėgiui. Dyzeliniame variklyje šiluma tiekiama ne iš išorinio šaltinio, o susidaro viduje degant kurui, kuris, esant dideliam suspaudimui, užsidega savaime. Aukštos temperatūros dujos nėra vėsinamos, bet veikia ir pašalinamos į lauką, pakeičiant jas šaltu kuro ir oro mišiniu. Teorinis ciklas beveik visiškai atkuriamas, išskyrus mechaninių veiksnių įtaką ir kitus neišvengiamus šilumos nuostolius.

Mažiau žinomame Atkinsono cikle (4 pav. G) šakų seka yra atvirkštinė dyzelinio ciklo seka. Tik Džaulio cikle (4 pav., V) šiluma tiekiama ir tiekiama esant pastoviam slėgiui, tačiau šis ciklas paprastai nenaudojamas šilumai paversti darbu; jis naudojamas atvirkštinėje (šaldymo) mašinoje.

Slėgio ir tūrio grafikai, kaip parodyta pav. 3 ir 4 vadinami indikatorių diagramomis. Jas inžinieriai naudoja variklių efektyvumui apskaičiuoti. Pavyzdžiui, pav. 5 paveiksle parodyta keturtakčio benzininio variklio indikatoriaus diagrama. Už suspaudimo eigos CD, pradedant nuo taško C, po to kuro deginimas vertikalioje šakoje DE ir darbo taktas EF. Taške F išmetimo vožtuvas atsidaro taip, kad slėgis nukrenta iki atmosferos slėgio P A, o išmetamosios dujos iš variklio cilindro išmetamos pagal horizontalią atšaką AB. Svetainėje Bў Cį cilindrą įleidžiamas naujas degus mišinys ir ciklas baigiasi. Tikrame variklyje degimas neįvyksta akimirksniu. Jei taške įvyksta užsidegimas D, tada liepsna pasklinda per cilindrą, kai tūris jau pradėjo didėti, todėl maksimalus teorinis slėgis nepasiekiamas. Prarandama didelė ploto dalis, proporcinga atliktam darbui, kaip rodo punktyrinė linija DG. Jei uždegimas yra pažangus, pavyzdžiui, taške H, tada prarandama tik nedidelė naudingo ploto dalis, kaip rodo punktyrinė linija Sveiki. Tai paaiškinama tuo, kad didėjant slėgiui, tūris vis tiek mažėja.

TERMODINAMINĖS FUNKCIJOS

Vidinė energija.

Kai į sistemą tiekiamas tam tikras šilumos kiekis d Q, dėl šio karščio, kaip buvo parodyta anksčiau naudojant Carnot ciklo pavyzdį, galima atlikti tik tam tikrą darbo kiekį d W, todėl sistema praranda dalį gaunamos šiluminės energijos. Šie du dydžiai, paprastai kalbant, nėra vienodi, todėl sistema arba praranda, arba įgyja energiją, lygią jų skirtumui. Tarkime, kad šis energijos skirtumas sistemoje išlieka vadinamojo pavidalo. vidinė energija E. Tada pastarasis padidės nuo Eį ( E + dE), ir

Kur d Q Ir d W– be galo maži žingsniai.

Paprastai tariant, prieaugiai d Q Ir d W nėra nepriklausomi (todėl jie čia pažymėti simboliu d priešingai prieaugiui dE). Taigi, šilumos sugėrimą paprastai lydi tūrio pasikeitimas, taigi ir darbas, atliekamas prieš išorinį slėgį. Ir atvirkščiai, jei plėtimasis leidžiamas, tai dažniausiai lydi šilumos, paimtos iš aplinkos, sugėrimas. Jokie faktiškai sistemai taikomi apribojimai negali visiškai pašalinti tokios sąveikos, tačiau mintyse galima įsivaizduoti idealią šilumos izoliaciją ( d Q= 0) arba griežtai įvykdyta pastovaus tūrio sąlyga ( d W= 0), kaip ir teorinėje mechanikoje įvedamos idealiai lygių ir idealiai standžių kūnų sąvokos. Tik idealiomis sąlygomis, kai d Q Ir d W nepriklausomi vienas nuo kito, prieaugis d Q arba d W gali būti laikomi visuminiu skirtumu, o jų skirtumas dE visada yra.

Entropija.

Šiluminė energija d Qў , kurio negalima paversti darbu, yra proporcingas žemesnei temperatūrai T, kad galėtume rašyti d Qў = TdS, Kur dS – entropijos prieaugis S sistemos. Patinka E, dydis S yra pačios sistemos charakteristika, todėl jos padidėjimą žymime raide d, ne d.

Paskyrė d W darbas, kurį galima atlikti naudojant šilumą d Q, galite rašyti

Jei darbinis skystis dėl tam tikro termodinaminio proceso negrįžta į pradinę būseną, tada didelė dalis energijos pasirodo nenaudinga darbo požiūriu, o vidinė energija atitinkamai padidėja skirtumas dE. Vidinės energijos padidėjimas gali pasireikšti pasikeitus darbinio skysčio fizinei būsenai, pavyzdžiui, pereinant iš kieto į skystą (tirpimas) arba iš skysčio į dujinį (garavimas). Ši šiluminė energija vadinama atitinkamai sintezės šiluma ir garavimo šiluma. Vidinės energijos padidėjimas taip pat gali būti siejamas su cheminiais pokyčiais (disociacija, ryšių nutrūkimu) ir net branduolio dalijimusi.

Entalpija.

Jei sistemos energijos pokyčiai vyksta esant pastoviam slėgiui, tada, kaip paaiškėja, funkcija

leidžia įvairius procesus apibūdinančioms lygtims suteikti paprastesnę ir elegantiškesnę formą. Faktas yra tas, kad šiek tiek pasikeitus sistemos būklei dėl (1) ir (2) lygybių galime rašyti

Todėl, jei procesas vyksta esant pastoviam slėgiui ( dP= 0), tada lygybė

dH = d Q,

tie. tiekiamas šilumos kiekis gali būti pavaizduotas kaip tam tikro kiekio, apibūdinančio vidinę sistemos būseną, suminis skirtumas. Šis dydis vadinamas entalpija. Anksčiau tai buvo vadinama šilumine funkcija arba sistemos šilumos kiekiu.

Nemokama energija.

Izoterminėmis sąlygomis ( dT= 0) daugiau nei H, patogi kita termodinaminė funkcija:

Pateikiami tie patys skaičiavimai, kaip ir entalpijos atveju dF = dW. Anksčiau vertė F buvo vadinamas Helmholtzo laisva energija, nes Helmholtzas pirmasis nurodė jos reikšmę, bet dabar jis tiesiog vadinamas laisva energija.

Gibbso potencialas.

Tais atvejais, kai gali keistis ir temperatūra, ir slėgis, naudojama bendresnė funkcija

Ši funkcija kartais vadinama bendruoju termodinaminiu potencialu arba grynąja energija, bet dabar dažniausiai vadinama Gibso potencialu arba Gibso energija ir žymima simboliu G pavadintas J. Gibbso (1839–1903) vardu. Kaip bus parodyta toliau, pateiktos termodinaminės funkcijos leidžia nustatyti sąlygas, būtinas pusiausvyrai.

Jei slėgis šiek tiek padidėja dP sistemoje, kurioje palaikoma pastovi temperatūra ( dT= 0), Gibso potencialas padidės tokiu kiekiu dG, ir jo didėjimo greitis arba Gibso potencialo „jautrumas“. G slėgio pokyčiams, pateikiama termodinamine sistemos tūrio išraiška

kur dalinės išvestinės simbolis rodo, kad pokytis vyksta esant pastovioms visų kitų parametrų reikšmėms (šiuo atveju temperatūrai T).

Panašiai Gibso potencialo jautrumas temperatūros pokyčiams (esant pastoviam slėgiui) yra sistemos entropijos matas:

ir ši lygybė gali būti laikoma dar vienu entropijos apibrėžimu.

Termodinaminių funkcijų ryšiai.

Kiekiai E, H, F Ir G turi energijos dimensiją ir bet kurios trys iš jų gali būti išreikštos per ketvirtą. Jeigu d W = PdV, tada, naudodami lygybes (7) ir (8), galime H, F Ir E išreikšti per G:

Jei laikytume tik funkciją G, tada tarp nepriklausomų kintamųjų pakaks nagrinėti tik P Ir T, kuris beveik visada pasirodo pats patogiausias. Jei pasirinksime kaip vienintelę funkciją E, tada matematiniu požiūriu patogiausia bus nepriklausomi kintamieji V Ir T arba V Ir S, bet paskutinis iš jų akivaizdžiai nėra labai patogus tiesioginiams matavimams.

Šilumos talpa.

Entropijos pokytis dS medžiaga gali būti apskaičiuojama pagal šilumos kiekį, kurio reikia jos temperatūrai padidinti vienu laipsniu, t.y. pagal išmatuotą šiluminę galią C. Tačiau šiluminė talpa priklauso nuo to, ar medžiaga gali plėstis esant pastoviam slėgiui P, nuo tada dėl karščio reikia atlikti su plėtimu susijusį darbą. Todėl šiluminė talpa esant pastoviam slėgiui C P didesnė šilumos talpa esant pastoviam tūriui C V. Šie dydžiai pateikiami lygybėmis

Šilumos talpos skirtumas C P Ir C V yra išreiškiamas šiluminiais vienetais, o energijos perteklius, reikalingas norint atlikti plėtimąsi prieš slėgio jėgas, gali būti išreikštas mechaniniais vienetais [ cm. formulė (2) ir pav. 1]. Taip Mayeris apskaičiavo mechaninį šilumos ekvivalentą.

Entropijos skaičiavimas.

Jei spaudimas P nuolat, tada todėl, kad H = E + PV, atsižvelgdami į lygybę (3) galime rašyti

Todėl sukonstruodami santykių grafiką C P/T iš T(arba, kas matematiniu požiūriu yra tas pats, priklausomybės grafikas C P iš ln T), galime rasti entropijos prieaugį D S kaip kreivės plotas grafike (6 pav.):

Netvarka ir entropija.

Austrų fizikas L. Boltzmannas, remdamasis statistine mechanika, parodė, kad entropija yra netvarkos matas, būtent:

Kur S– entropija N molių medžiagos ir R– konstanta iš bendrosios dujų lygties

kuris yra matematinis atskirų dėsnių, kuriuos atrado R. Boyle'as (1627–1691) ir E. Mariotte (1620–1684), ir J. Gay-Lussac (1778–1850) sujungė su J. Charles (1746) nustatytu įstatymu. – 1823 m.). Universali dujų konstanta R visoms dujoms lygus 8,3144 J/molCh K.

Dydis F yra būdų, kuriais energija gali būti paskirstyta tarp molekulių tam tikroje temperatūroje, skaičius, padalytas iš atitinkamo būdų skaičiaus esant absoliučiai nulinei temperatūrai. Jei temperatūra yra aukštesnė už absoliutų nulį, tada sistema linkusi pereiti į būseną, kurioje Ф reikšmė yra didesnė, nes tokiu atveju molekulės energija bus mažesnė, ir tai labiau tikėtina situacija nei pasiskirstymas, kuriame visa energija patenka ant nedidelio skaičiaus molekulių.

Taigi, medžiagos entropija tam tikroje būsenoje yra santykinė šios būsenos tikimybė, paimta logaritmine skale ir padauginta iš NR, kad jis būtų išreikštas termodinaminiais vienetais.

Idealus kristalas su griežtai sutvarkytu visų atomų išdėstymu yra labai mažai tikėtina struktūra, kurią galima išlaikyti tik esant didelėms tarpatominėms jėgoms arba, kitaip tariant, esant žemam jo vidinės energijos lygiui. Kai kristalas kaitinamas, šiluminis judėjimas sutrikdo šią tvarką. Tam tikroje temperatūroje (lydymosi taške), kai šiluminė energija tampa didesnė už tarpatominės sąveikos energiją, kietoji kristalinė gardelė sunaikinama ir medžiaga pereina į mažiau tvarkingą skystą būseną. Laisvoji energija, apibūdinanti pusiausvyros būseną [formulė (5)], nustatoma pagal ryšį tarp vidinės energijos tvarkamojo poveikio ir netvarkingo padidėjusios temperatūros poveikio, o entropija yra kiekybinis temperatūros poveikio matas.

Pusiausvyra.

Taigi pusiausvyros sąlyga esant pastoviai vidinei energijai yra entropijos maksimumas S. Galimi kai kurie svyravimai, kurie trumpam išveda sistemą iš šios būsenos, bet vidutiniškai per pakankamai ilgą laiką lygybė

Kadangi kiekiai F Ir G yra entropijos funkcijos S, paimtas su minuso ženklu, ši sąlyga reiškia, kad pusiausvyra įmanoma tik tada, kai arba reikšmė F, arba vertę G turi minimumą. Taigi, su bet kokiu įmanomu pakeitimu dX pusiausvyros sąlygos yra šios:

Šis ryšys buvo išvestas analizuojant prancūzų inžinieriaus B. Clapeyrono (1799–1864) 1834 m. pasiūlytą terminį ciklą. Tai rodo, kad garavimo šilumos nereikia nustatyti kalorimetriniais metodais; jį galima apskaičiuoti iš plėtimosi, atsirandančio garuojant, jei žinomas skysčio sočiųjų garų slėgio didėjimo greitis kylant temperatūrai, kai sistemos tūris palaikomas pastovus. Tai tipiška termodinaminė lygtis, kuri nustato ryšį tarp iš pažiūros nesusijusių kintamųjų.

Remdamasis panašiais samprotavimais, R. Klausius (1822–1888) išvedė šilumos talpų skirtumo išraišką Cs sunkus ir C l skystoji fazė:

kurią vis dėlto lengviau išvesti iš santykio (15).

Kadangi jis apsvarstė Clapeyron lygtį ir, jo žodžiais, padarė „mažus pakeitimus“ samprotavimo eigoje, santykis (30) tapo žinomas kaip Clausius-Clapeyron lygtis.

Panašiai samprotaujant, naudojant pirmąjį Maksvelo sąryšį, galima gauti formulę, rodančią slėgio poveikį kietos medžiagos lydymosi temperatūrai, termiškai izoliuotos taip, kad jos entropija būtų pastovi:

Čia L- sintezės šiluma, T– lydymosi temperatūra esant tam tikram slėgiui P, A ( V l – v s) – kietosios medžiagos tūrio pokytis lydymosi metu. Ledo atveju suspaudimas vyksta tirpstant, o formulė (32) rodo, kad didėjant slėgiui lydymosi temperatūra mažėja. Eksperimentiniai duomenys atitinka skaičiavimo rezultatus. Dauguma kitų kietųjų medžiagų išsiplečia, kai lydosi, todėl jų lydymosi temperatūra didėja didėjant slėgiui.

Slėgio poveikis.

Kiti poveikiai, susiję su izoterminio slėgio pokyčiais, aprašyti formulėmis

Džaulio-Tomsono efektas.

Jei dujos yra šilumą izoliuotame inde ir jame nedirbama ( H= const), tada jo temperatūros pokytis dėl slėgio pokyčio pateikiamas formule

Idealioms dujoms a T= 1, todėl jo temperatūra neturėtų keistis. Vadinasi, keičiant temperatūrą, išmatuotą, pavyzdžiui, dujoms išsiplėtus į vakuumą, galima įvertinti tikrų dujų nuokrypio nuo idealių laipsnį. Šis efektas iš tikrųjų stebimas, o jį atradusių mokslininkų vardu jis vadinamas Džaulio-Tomsono efektu.

Temperatūros poveikis.

Formulės, apibūdinančios temperatūros poveikį esant pastoviam slėgiui, gaunamos tokiu pačiu būdu:

Pavyzdžiui, diapazone nuo absoliutaus nulio iki tam tikros ribinės temperatūros, kiekvienai medžiagai savo, visų medžiagų šiluminė talpa esant pastoviam tūriui yra proporcinga temperatūros kubui (pagal Kelvino skalę):

Šią išraišką, remdamasis kvantine teorija, išvedė P. Debye (1884–1966). Tai leidžia paprastai integruojant apskaičiuoti bendrą entropiją esant 0 K temperatūrai:

Būsenos lygtys.

Dėl savo paprastos formos dujų dėsnis [(18) formulė] leidžia daryti svarbias išvadas apie idealių dujų savybes. Tačiau adiabatinio suspaudimo metu idealios dujos įkaista. Šiuo atveju izoterminis dėsnis PV = NRT negalioja ir turi būti pakeistas lygtimi

Kur g– savitųjų šiluminių pajėgumų santykis esant pastoviam slėgiui ir pastoviam tūriui, t.y. g = C P / C V. Šią lygtį išvedė prancūzų matematikas S. Puasonas (1781–1840).

Šilumos variklių (garo variklių, benzininių, dujų ir dyzelinių variklių) darbiniuose cilindruose suspaudimo greitis didelis, tačiau procesas nėra visiškai adiabatinis ir vadinamas politropiniu. Sprendžiant daugumą projektavimo problemų tokiais atvejais priimama formos lygtis

Kur n– pastovi vertė mažesnė už g, o jo perteklius virš vieneto priklauso nuo suspaudimo greičio. Be to, tikrų dujų elgsena nukrypsta nuo (18), (47) ir (48) lygčių, joms naudojamos vadinamosios dujos. būsenų lygtis.

Tokių lygčių pavyzdys yra

Kur a Ir b– konstantos, priklausančios nuo dujų pobūdžio. Šią lygtį išvedė J. Van der Waalsas (1837–1923). Buvo pasiūlyta daug kitų lygčių; kai kurie iš jų galioja tik vienoms dujoms.

Literatūra:

Baeris G. Techninė termodinamika. M., 1973 m
Bazarovas I.P. Termodinamika. M., 1983 m
Vukalovičius M.P., Novikovas I.I. Termodinamika. M., 1984 m
Kvasnikovas I.A. Įvadas į kvazistatinių procesų teoriją. M., 1986 m

Kas yra termodinamika

Apibrėžimas

Termodinamika yra svarbiausia fizikos dalis. Jo išvados yra naudojamos giro- ir aerodinamikos, optikos, fizikinės chemijos ir daugelyje kitų mokslų bei taikomųjų programų.

Termodinamika atsirado XIX amžiaus pradžioje. Tuo metu pradėjo kurtis šildymo inžinerija. Teoriniu jos pagrindu tapo termodinamika. Jos tikslas tuo metu buvo ištirti dėsningumus, lemiančius šilumos pavertimo mechaniniu darbu procesus naudojant šilumos variklius ir ieškoti sąlygų, kurioms esant tokių virsmų efektyvumas būtų maksimalus. Termodinamikos pagrindus savo darbuose padėjo Saadi Carnot, prancūzų inžinierius ir fizikas, tyrinėjęs šilumos variklius. Tuo metu šiluma dar buvo laikoma tam tikra medžiaga – kalorine, kuri neturi masės ir negali būti sukurta ar sunaikinama. Vėliau termodinamika peržengė siauros techninės problemos ribas. Pagrindinis šiuolaikinės termodinamikos turinys yra medžiagos šiluminės judėjimo formos ir susijusių reiškinių dėsnių tyrimas.

Kokius procesus tiria termodinamika?

Termodinamika tiria makroskopinius procesus, vykstančius kūnuose ir kūnų sistemose. Šis mokslas nenaudoja specialių hipotezių ir idėjų apie materijos sandarą. Nekelia klausimų apie šilumos prigimtį. Termodinamikos išvados pagrįstos bendraisiais principais (principais), kurie gaunami apibendrinant empirinius duomenis.

Termodinamika tiria tik termodinamiškai pusiausvyrines sistemų būsenas arba labai lėtus procesus, kuriuos galima pavaizduoti pusiausvyrinių aibė. Šis mokslas taip pat tiria perėjimo iš vienos pusiausvyros būsenos į kitą dėsnius.

Termodinamikos išvados yra labai bendros, nes gaunamos nenaudojant supaprastintų modelių. Termodinamika perima daug lygčių iš patirties arba molekulinės – kinetinės teorijos. Tačiau čia reikia pažymėti, kad praktika parodė, jog termodinamikos aksiomos turi taikymo ribas. Taigi klasikinė termodinamika menkai pritaikoma mažų dydžių sistemose, nes neatsižvelgia į būsenos svyravimus, kurie turi didelę reikšmę mikropasaulyje.

Taigi pagrindinę termodinamikos idėją apibrėžiame taip:

Pagrindinė termodinamikos idėja

Makroskopinės sistemos susideda iš daugybės dalelių. Sistemos būsenoms būdingi labai specifiniai parametrai. Kiekviena sistema paklūsta energijos tvermės įstatymui.

Termodinamikoje energijos tvermės dėsnis suformuluotas kaip termodinamikos principai. Makrosistemos elgsena aprašoma remiantis termodinamikos principais. Termodinamikoje suformuluoti trys principai. Pirmasis principas yra energijos tvermės dėsnio pasekmė:

Pirmasis termodinamikos dėsnis

\[\delta Q=dU+\delta A\ \left(1\right),\]

kur $\delta Q$ yra šilumos elementas (arba be galo mažas kiekis), tiekiamas termodinaminei sistemai. Šios energijos formos judėjimo ir virsmų tyrimas yra termodinamikos dalykas, $dU$ – sistemos vidinės energijos kitimas, $\delta A$ – elementarus darbas. Begaliniai dydžiai čia žymimi skirtingais simboliais (d ir $\delta $), tai daroma tyčia. Siekiant pabrėžti, kad šių nedidelių kiekių savybės skiriasi. Pirmasis termodinamikos dėsnis nesuteikia jokio supratimo apie proceso kryptį. Todėl būtina antra pradžia. Būtent tai apibūdina termodinamikos procesų kryptį. Yra keletas antrojo termodinamikos dėsnio formuluočių. Jie skiriasi forma, bet prasme yra lygiaverčiai. Štai viena iš Thompsono (lordo Kelvino) pateiktų formuluočių:

Antrasis termodinamikos dėsnis

„Neįmanomas žiedinis procesas, kurio vienintelis rezultatas būtų darbas, sumažinant vidinę šiluminio rezervuaro energiją.

Trečioji apriboja procesus. Suformuluokime:

Trečiasis termodinamikos dėsnis

„Absoliutus nulis negali būti pasiektas atliekant baigtinį skaičių operacijų.

Matematinis termodinamikos aparatas yra diferencialinių formų ir dalinių diferencialinių lygčių teorija.

Užduotis: Idealiose monoatominėse dujose vyksta ciklinis procesas (1 pav.).

Nustatykite ciklo efektyvumą, jei žinomi $V_1,\ V_2, $ $p_1,\ p_2$.

Ciklo efektyvumas ($\eta $) šiuo atveju yra patogiai nustatomas taip:

\[\eta =\frac(A)(Q^+)\left(1.1\right),\]

kur A – darbas, kurį dujos atlieka žiediniu procesu, $Q^+$ – šilumos kiekis, tiekiamas dujoms iš šildytuvo.

Žiedinis procesas (ciklas), kuris pavaizduotas 1 pav., susideda iš keturių nuoseklių procesų. Nustatykime, kuriuose procesuose tiekiama šiluma. Akivaizdu, kad tai procesai AB ir BC.

AB procesas yra izobarinis. Užrašykime pirmąjį termodinamikos dėsnį ir suraskime šilumos kiekį, kurį šiame procese išskiria dujos.

\[\trikampis Q=\trikampis U+A\ \left(1.2\right).\]

Darbą izobariniame procese galima rasti taip:

Taigi procesui AB gauname:

Vidinės dujų energijos pokytis AB proceso metu turi formulę:

\[\trikampis U_(AB)=\frac(i)(2)\nu R\left(T_2-T_1\right)\left(1,5\right).\]

Norėdami rasti $\left(T_2-T_1\right)$, naudojame Mendelejevo-Cliperono lygtį idealioms dujoms. Parašykime jį dviem būsenoms (taškams A ir B):

\ \

Raskime skirtumą tarp (1.7) ir (1.6), gausime:

Pakeitę (1.8) į (1.5), gauname:

\[\trikampis U_(AB)=\frac(i)(2)p_1\left(V_2-V_1\right)\left(1,9\right).\]

Todėl šilumos kiekis, kurį dujos gauna AB procese, yra lygus:

\[\trikampis Q_(AB)=p_1\left(V_2-V_1\right)+\frac(i)(2)p_1\left(V_2-V_1\right)\ (1.10).\]

Dabar apsvarstykite izochorinį procesą BC. Tam dujoms perduodamos šilumos kiekis yra lygus:

\[\trikampis Q_(BC)=\trikampis U_(BC\ )\left(1.11\right).\]

kadangi darbas izochoriniame procese lygus nuliui. Raskime šio proceso vidinės energijos pokyčius naudodami idealių dujų būsenos lygtį diagramos taškams B ir C:

\ \

Atimkite (1.6) iš (1.7), gausime:

Pakeitę (1.14) į (1.11), rasime $\trikampį Q_(BC)$:

\[\trikampis Q_(BC)=\frac(i)(2)((p)_2-\ p_1)V_2(1,15).\]

Gauname $Q^+:$ išraišką

Raskime darbą, kurį dujos atlieka žiediniu būdu. Jis lygus iš stačiakampio ABCD ploto integralų geometrinės reikšmės, atitinkamai rašome:

\[\eta =\frac(((p)_2-\ p_1)\left(V_2-V_1\right))((\frac(i)(2)(p)_2V_2-p_1V_1)+p_1((V) _2-V_1))\ \left(1,18\right).\]

Atsakymas: tam tikro proceso ciklo efektyvumas išreiškiamas formule: $\eta =\frac(((p)_2-\ p_1)\left(V_2-V_1\right))(\frac(i)(2 )(p)_2V_2- p_1V_1)+p_1((V)_2-V_1))$.

Užduotis: pav. 2 pavaizduotos izotermos AB ir CD. Palyginkite šilumos kiekį, kurį dujos gauna I ir II procesuose.

Jei AB ir CB yra izotermos, I ir II procesų dujų vidinės energijos pokyčiai yra vienodi: \[\trikampis U_I=\trikampis U_(II)\left(2.1\right).\]

Darbas I procese lygus nuliui, kadangi procesas yra izochorinis, todėl I proceso metu dujų gaunamas šilumos kiekis:

\[\trikampis Q_I=\trikampis U_I\ \left(2.2\right).\]

II procese darbą atlieka dujos ir jis didesnis nei 0 ($A_I>0).\ $

\[\trikampis Q_(II)=\trikampis U_(II)+A=\trikampis U_I+A\ \į \trikampį Q_(II)>\trikampis Q_I\kairė(2,3\dešinė).\]

Atsakymas: šilumos kiekis, kurį dujos gauna II procese, yra didesnis nei šilumos kiekis, kurį dujos gauna I procese.

Termodinamikos skyriai

Šiuolaikinė fenomenologinė termodinamika dažniausiai skirstoma į pusiausvyrą (pusiausvyros procesų termodinamika, dar vadinama kvazistatinių procesų termodinamika, dar vadinama klasikine termodinamika) ir nepusiausvyrą (nepusiausvyros procesų termodinamika, dar vadinama negrįžtamų procesų termodinamika). Pusiausvyros termodinamika įveda naujus (t. y. tuos, kurie nėra apibrėžti kitose fizikos šakose) kintamuosius, tokius kaip vidinė energija, temperatūra, entropija, cheminis potencialas, taip pat šių dydžių deriniai. Visi jie vadinami termodinaminiais parametrais (kiekiais). Klasikinės termodinamikos svarstymo objektas yra termodinaminių parametrų ryšys tarpusavyje ir su fizikiniais kintamaisiais, į kuriuos atsižvelgiama kitose fizikos šakose (masė, slėgis, paviršiaus įtempis, srovės stipris ir kt.). Cheminės ir fazinės reakcijos (pirmosios eilės fazių perėjimai) taip pat yra klasikinės termodinamikos tyrimo objektas, nes šiuo atveju atsižvelgiama į sistemos komponentų masių ir jų cheminių potencialų ryšius. Klasikinė termodinamika termodinaminius kintamuosius laiko vietiniais dydžiais erdvėje (bet kurią sistemą visada veikia bent vienas jėgos laukas – gravitacinis laukas). Laikas nėra aiškiai įtrauktas į klasikinės termodinamikos formules. Tačiau tai visiškai nereiškia, kad klasikinė termodinamika atsižvelgia tik į sistemos būsenas ir neatsižvelgia į jų pokyčius, ty procesus. Tiesiog jos dėmesio objektas yra tokie santykinai lėtai vykstantys (kvazistatiniai) procesai, kuriems bet kuriuo laiko momentu galima laikyti, kad sistema yra termodinaminės pusiausvyros būsenoje (pusiausvyros procesai). Procesas gali būti laikomas kvazistatiniu, jei jo laikas yra daug trumpesnis nei nagrinėjamos sistemos atsipalaidavimo laikas.

Nepusiausvyrinėje termodinamikoje kintamieji laikomi lokaliais ne tik erdvėje, bet ir laike, ty laikas gali aiškiai įvesti savo formules. Įdomu tai, kad klasikinis Furjė veikalas „Analitinė šilumos teorija“ (1822), skirtas šilumos laidumo klausimams, buvo ne tik prieš nepusiausvyros termodinamikos, kaip visavertės mokslo šakos, atsiradimą (daugiau nei šimtmetį), bet ir Carnot veikalas „Apmąstymai apie ugnies varomąją jėgą ir mašinas, galinčias išvystyti šią jėgą“ (1824), kuris laikomas klasikinės termodinamikos istorijos atskaitos tašku.

2 – Kelvino postulatas. Procesas, kai darbas paverčiamas šiluma be jokių kitų sistemos pokyčių, yra negrįžtamas, tai yra, visos šilumos, paimtos iš vienodos temperatūros šaltinio, neįmanoma paversti darbu, neatlikus kitų sistemos pakeitimų.

Energijai Eulerio teorema yra tokia:

Iš čia tai lengvai išplaukia Gibbso-Duhemo lygtis:

Ši lygtis rodo, kad tarp intensyvių kintamųjų yra vienas ryšys, kuris yra sistemos savybių adityvumo prielaidos pasekmė. Visų pirma, tiesioginė Gibbs-Duhem santykių pasekmė yra Gibbso termodinaminio potencialo išraiška mišinio komponentų cheminių potencialų atžvilgiu:

Tęstinių termodinamika

Aukščiau pateiktos termodinamikos aksiomų ir termodinaminių potencialų sąsajų formuluotės vyksta paprastiems modeliams (terpėms) – idealioms dujoms. Sudėtingesniems terpių modeliams - elastingoms kietosioms terpėms, viskoelastingoms terpėms, plastikinėms terpėms, klampioms skysčiams, elektromagnetinėms savybėms turinčioms terpėms ir kitiems, termodinamikos dėsniai turi sudėtingesnę formuluotę, o termodinaminiai potencialai formuluojami apibendrinta forma, naudojant tenzorius. Nepertraukiamos terpės fizikoje (kontinuumo fizikoje) termodinamika laikoma jos komponentu, įtraukiant į kintamuosius, apibūdinančius terpės šilumines (šiles) ir chemines savybes bei jų ryšį su kitais fizikiniais dydžiais, o termodinamikos aksiomas įtraukta į bendrą aksiomų sistemą.

Termodinamikos aksiomatika

Aksiomatiniu požiūriu nulinis termodinamikos dėsnis, kuris postuluoja absoliučios temperatūros egzistavimą, nėra būtinas.

Pirmasis principas įveda į naują fizikinį dydį – vidinę energiją ir apibūdina (postuluoja) šio kintamojo savybes, kurių pagrindinė yra ta, kad būtina laikytis energijos tvermės dėsnio; Taip pat postuluojama vidinės energijos ekstensyvumas. Iš čia aišku, kad neįmanoma teisingai padalyti vidinės energijos pokyčio tam tikrame procese į šilumą ir darbą (ypač į šilumą, darbą ir masės perdavimo darbą) be papildomų susitarimų, kurie yra gana savavališki. Tai visų pirma apima darbo ir šilumos ženklų taisykles. Kitas susitarimas yra tas, kad dėl formalių priežasčių esame priversti vidinės energijos pokytį cheminėse reakcijose (dažniausiai vadinamas terminiu efektu) priskirti darbui (netgi buvo išrastas specialus terminas „cheminis darbas“, kuris praktiškai nevartojamas). nepusiausvyroje termodinamikoje dėl formalių priežasčių šilumos trintis yra laikoma darbu).

Pabrėžkime, kad termodinamikos (ir bet kurios kitos fizikos šakos) matematinis aparatas priklauso ne tik nuo gamtos dėsnių, bet ir nuo įvairių susitarimų (kartais formuluojamų aiškiai, kartais numanomų), kurie turi istorines šaknis ir gali būti pakeisti kiti susitarimai, mums mažiau (o kartais ir daugiau) žinomi. Savavališkumo laipsnį formuojant susitarimus dažniausiai riboja objektyvūs arba subjektyvūs veiksniai. Paaiškinkime tai naudodami temperatūros atskaitos taškų pakeitimo pavyzdį. Akivaizdus variantas – pereiti prie Celsijaus temperatūros skalės, naudojamos kasdieniame gyvenime. Toks pakeitimas sukelia nedidelį, bet vis tiek mums įprastų formulių komplikaciją, ir tada jos atrodo ne tokios elegantiškos, nors visiškai aišku, kad skaičiavimai naudojant naujas ir senas formules duoda tuos pačius rezultatus.

Aukščiau pateikti svarstymai atrodo paprasti ir gana akivaizdūs, jei ne trivialūs, bet praktiškai jie dažnai pamirštami. Taikant pirmąjį principą, šių, atrodytų, išgalvotų tiesų ignoravimas sukėlė situaciją, kurią Mölleris pavadino „keistu fizikos istorijos atveju“. Būtent, taisyklės, pagal kurią vidinės energijos pokytis skirstomas į šilumą ir darbą, pakeitimas lėmė matematinio aparato pasikeitimą ir buvo pagrindas XX amžiaus antroje pusėje įsiplieskusiam ginčui dėl to, kuris iš dviejų. logiškai nepriekaištingos SRT reliatyvistinės termodinamikos versijos su skirtingomis temperatūros transformacijos formulėmis – Planckas (1907) arba Otta (1963) yra teisingesnis. Diskusija tarp teoretikų tęsėsi keletą metų, kol de Broglie parodė, kad Plancko ir Otto išvadų neatitikimas kyla dėl karščio apibrėžimo savivalės, o jų rezultatai vienas kitam neprieštarauja – autoriai tiesiog kalba skirtingomis kalbomis. Šiuolaikinėse reliatyvistinės termodinamikos versijose jie dažniausiai renkasi Lorenco kintamą absoliučią temperatūrą (van Kampenas, Landsbergis, Schmutzeris ir kt.). Kodėl prieš paskelbiant Otto straipsnį sąvokų „darbas“ ir „šiluma“ apibrėžimų savivalė niekam neįkrito ir netrukdė? Taip, nes praktikoje, kalbėdami apie šilumą ar tam tikro proceso darbą, jie visada reikšdavo vieno iš termodinaminių potencialų pasikeitimą šiame procese, taip apeinant „šilumos“ ir „darbo“ sąvokų aiškinimo neapibrėžtumus. . Tai, kad, pavyzdžiui, cheminėje reakcijoje atliekamas darbas tradiciškai buvo vadinamas „terminiu reakcijos efektu“, niekam nerūpėjo ir nesukėlė jokių akivaizdžių paradoksalių ar nepageidaujamų pasekmių.

Antrojo termodinamikos dėsnio esmė aksiominio požiūrio požiūriu yra tokia. Šiluminiams reiškiniams apibūdinti neužtenka kintamojo „vidinė energija“, o pusiausvyrinėms sistemoms reikalingas kitas naujas fizikinis dydis kaip nepriklausomas kintamasis. Būtų logiška pasirinkti temperatūrą kaip tokią, tačiau mokslo raidos kelias yra vingiuotas, o antrasis dėsnis šiuolaikinėje formuluotėje yra postulatų rinkinys apie entropijos egzistavimą ir jos savybes; Pavyzdžiui, postuluojamas entropijos platumas. Vienas iš svarbiausių postulatų teigia, kad vidinės energijos ir entropijos funkcija, vadinama termodinamine temperatūra, turi absoliučios temperatūros savybes. Šis požiūris leidžia apeiti savavališkumą, paminėtą aukščiau sąvokų „darbas“ ir „šiluma“ apibrėžimuose, o tai paneigia klasikinių antrojo principo formuluočių akivaizdžią eleganciją. Pastebėkime, kad termodinamikos aksiomatika gali būti sudaryta darant prielaidą, kad nepriklausomas kintamasis yra ne entropija, o temperatūra. Tam turime paaukoti arba mums pažįstamą matematinį termodinamikos aparatą, kuriam dar nesame pasiruošę, arba pagrindinės aksiomų sistemos harmoniją.

Trečiasis dėsnis papildo ir papildo antrojo dėsnio aksiomų sistemą.

Aksiomos (pradžios, postulatai), kuriomis remiasi termodinamika, yra ne trys ir net ne keturios (jei skaičiuoti nulinę pradžią), todėl jos nebenumeruojamos. Galiausiai, be aksiomų, susitarimų ir teoremų termodinamikoje, yra ir „principų“ (pavyzdžiui, Putilovo termodinaminio priimtinumo principas pusiausvyrinėje termodinamikoje arba Curie principas nepusiausvyroje termodinamikoje), t. y. teiginiai, kurie nėra susitarimai ar teoremos, bet yra nepretenduoti į gamtos dėsnių vaidmenį. Jų nereikėtų painioti su termodinamikos aksiomomis ar teoremomis, kurių pavadinimuose tradiciškai vartojamas žodis „principas“ (Nernsto principas, Le Chatelier-Brown principas).

Pastabos

Paradoksai

Taip pat žr

Literatūra

• Bazarovas I. P. Termodinamika. M.: Aukštoji mokykla, 1991, 376 p.
• Bazarovas I. P., Gevorkyanas E. V., Nikolajevas P. N. Nepusiausvyros termodinamika ir fizikinė kinetika. M.: Maskvos valstybinio universiteto leidykla, 1989 m.
• Bazarovas I. P. Klaidingos nuomonės ir termodinamikos klaidos. Red. 2-oji peržiūra M.: Redakcija URSS, 2003. 120 p.
• Bazarovas I. P. Statistinės fizikos ir termodinamikos metodinės problemos. M.: Maskvos valstybinio universiteto leidykla, 1979 m.
• Gibbsas J.W. Termodinamika. Statistinė mechanika. Serija: Mokslo klasika. M.: Nauka 1982. 584 p.
• De Groot S.R. Negrįžtamų procesų termodinamika. M.: Valstybė. Techninės teorijos leidykla. lit., 1956. 280 p.
• De Groot S., Mazur P. Nepusiausvyros termodinamika. M.: Mir, 1964. 456 p.
• Gurovas K. P. Fenomenologinė negrįžtamų procesų termodinamika (fiziniai pagrindai). - M.: Mokslas, skyrius. red. fizikos ir matematikos literatūra, 1978. 128 p.
• Gyarmati I. Nepusiausvyros termodinamika. Lauko teorija ir variacijos principai. M.: Mir, 1974. 404 p.
• Zubarevas D.N. Nepusiausvyros statistinė termodinamika. M.: Nauka, 1971. 416 p.
• Carnot S., Clausius R., Thomson W. (lordas Kelvinas), Boltzmann L., Smoluchowski M. Red. ir komentarai bei pratarmė: Timiryazev A.K. Antrasis termodinamikos dėsnis. Antologija. 2 leidimas. Serija: Fizikos ir matematikos paveldas: fizika (termodinamika ir statistinė mechanika). - M.: Leidykla LKI, 2007. - 312 p.
• Kvasnikovas I. A.

Termodinamika (gr. θέρμη – „šiluma“, δύναμις – „jėga“) – fizikos šaka, tirianti bendriausias makroskopinių sistemų savybes ir energijos perdavimo bei transformavimo tokiose sistemose būdus.

Termodinamikoje tiriamos būsenos ir procesai, kuriems apibūdinti galima įvesti temperatūros sąvoką. Termodinamika (T.) – fenomenologijos mokslas, pagrįstas eksperimentinių faktų apibendrinimais. Termodinaminėse sistemose vykstantys procesai apibūdinami makroskopiniais dydžiais (temperatūra, slėgis, komponentų koncentracija), kurie įvedami apibūdinti sistemas, susidedančias iš daugybės dalelių ir nėra pritaikyti atskiroms molekulėms ir atomams, skirtingai nei, pavyzdžiui, į mechaniką ar elektrodinamiką įvestus kiekius.

Šiuolaikinė fenomenologinė termodinamika yra griežta teorija, sukurta remiantis keliais postulatais. Tačiau šių postulatų ryšį su dalelių, iš kurių kuriamos termodinaminės sistemos, savybėmis ir sąveikos dėsniais pateikia statistinė fizika. Statistinė fizika leidžia išsiaiškinti ir termodinamikos pritaikomumo ribas.

Termodinamikos dėsniai yra bendro pobūdžio ir nepriklauso nuo konkrečių materijos sandaros detalių atominiame lygmenyje. Todėl termodinamika sėkmingai taikoma daugelyje mokslo ir technologijų klausimų, tokių kaip energetika, šilumos inžinerija, fazių perėjimai, cheminės reakcijos, transporto reiškiniai ir net juodosios skylės. Termodinamika svarbi įvairioms fizikos ir chemijos, cheminių technologijų, aviacijos ir kosmoso inžinerijos, mechaninės inžinerijos, ląstelių biologijos, biomedicinos inžinerijos, medžiagų mokslo srityse ir netgi pritaikoma tokiose srityse kaip ekonomika.

Svarbūs metai termodinamikos istorijoje

• Termodinamikos, kaip mokslo, kilmė siejama su G. Galilėjaus vardu, kuris pristatė temperatūros sąvoką ir sukonstravo pirmąjį į aplinkos temperatūros pokyčius reagavusį įrenginį (1597 m.).
• Netrukus G. D. Farenheitas (1714), R. Reaumur (1730) ir A. Celsius (1742) pagal šį principą sukūrė temperatūros skales.
• J. Blackas 1757 metais jau pristatė latentinės lydymosi šilumos ir šiluminės talpos sąvokas (1770). O Wilcke'as (J. Wilcke, 1772) įvedė kalorijų apibrėžimą kaip šilumos kiekį, reikalingą 1 g vandens pašildyti 1 °C.
• Lavoisier (A. Lavoisier) ir Laplasas (P. Laplasas) 1780 metais sukūrė kalorimetrą (žr. Kalorimetrija) ir pirmą kartą eksperimentiškai nustatė ritmą. daugelio medžiagų šiluminė talpa.
• 1824 metais S. Carnot (N. L, S. Carnot) paskelbė darbą, skirtą šiluminių variklių veikimo principų studijoms.
• B. Clapeyronas pristatė grafinį termodinaminių procesų atvaizdavimą ir sukūrė be galo mažų ciklų metodą (1834).
• G. Helmholtzas pažymėjo energijos tvermės dėsnio universalumą (1847). Vėliau R. Clausius ir W. Thomson (Kelvin; W. Thomson) sistemingai sukūrė teorinį termodinamikos aparatą, kuris remiasi pirmuoju termodinamikos dėsniu ir antruoju termodinamikos dėsniu.
• 2-ojo principo plėtra atvedė Clausiusą prie entropijos apibrėžimo (1854) ir entropijos didėjimo dėsnio suformulavimo (1865).
• Pradedant J. W. Gibbso (1873), pasiūliusio termodinaminių potencialų metodą, darbais, buvo sukurta termodinaminės pusiausvyros teorija.
• 2-oje pusėje. XIX a buvo atlikti tikrų dujų tyrimai. Ypatingą vaidmenį suvaidino T. Andrewso eksperimentai, pirmasis atradęs kritinį skysčio-garų sistemos tašką (1861), jo egzistavimą numatė D. I. Mendelejevas (1860).
• Iki XIX amžiaus pabaigos. buvo padaryta didelė pažanga siekiant žemos temperatūros, dėl to O2, N2 ir H2 suskystėjo.
• 1902 m. Gibbsas paskelbė darbą, kuriame visi pagrindiniai termodinaminiai ryšiai buvo gauti statistinės fizikos rėmuose.
• Ryšys tarp kinetikos kūno savybes ir jo termodinamines savybes. charakteristikas nustatė L. Onsager (L. Onsager, 1931).
• XX amžiuje intensyviai tyrinėjo kietųjų kūnų, taip pat kvantinių skysčių ir skystųjų kristalų, kuriuose vyksta įvairūs fazių virsmai, termodinamiką.
• L. D. Landau (1935-37) sukūrė bendrą fazių perėjimų teoriją, pagrįstą spontaniško simetrijos trūkimo koncepcija.

Termodinamikos skyriai

Šiuolaikinė fenomenologinė termodinamika paprastai skirstoma į pusiausvyrinę (arba klasikinę) termodinamiką, kuri tiria pusiausvyrines termodinamines sistemas ir jose vykstančius procesus, ir nepusiausvyrinę termodinamiką, tiriančią nepusiausvyros procesus sistemose, kuriose nuokrypis nuo termodinaminės pusiausvyros yra santykinai mažas ir vis dar leidžia termodinamines sąlygas. aprašymas.

Pusiausvyros (arba klasikinė) termodinamika

Pusiausvyros termodinamikoje įvedami tokie kintamieji kaip vidinė energija, temperatūra, entropija ir cheminis potencialas. Visi jie vadinami termodinaminiais parametrais (kiekiais). Klasikinė termodinamika tiria termodinaminių parametrų ryšius tarpusavyje ir su fizikiniais dydžiais, į kuriuos atsižvelgiama kitose fizikos šakose, pavyzdžiui, su sistemą veikiančiu gravitaciniu ar elektromagnetiniu lauku. Cheminės reakcijos ir fazių virsmai taip pat įtraukiami į klasikinės termodinamikos tyrimą. Tačiau termodinaminių sistemų, kuriose cheminės transformacijos vaidina svarbų vaidmenį, tyrimas yra cheminės termodinamikos dalykas, o šiluminė inžinerija susijusi su techniniais pritaikymais.

Klasikinė termodinamika apima šiuos skyrius:

• termodinamikos principai (kartais dar vadinami dėsniais arba aksiomomis)
• paprastų termodinaminių sistemų būsenos ir savybių lygtys (idealios dujos, tikrosios dujos, dielektrikai ir magnetai ir kt.)
• pusiausvyros procesai su paprastomis sistemomis, termodinaminiai ciklai
• nepusiausvyros procesai ir nemažėjančios entropijos dėsnis
• termodinaminės fazės ir fazių perėjimai

Be to, šiuolaikinė termodinamika taip pat apima šias sritis:

• griežta matematinė termodinamikos formuluotė, pagrįsta išgaubta analize
• neekstensyvi termodinamika

Sistemose, kurios nėra termodinaminės pusiausvyros būsenoje, pavyzdžiui, judančiose dujose, galima naudoti vietinės pusiausvyros aproksimaciją, kurioje daroma prielaida, kad pusiausvyros termodinaminiai ryšiai tenkinami lokaliai kiekviename sistemos taške.

Nepusiausvyros termodinamika

Nepusiausvyrinėje termodinamikoje kintamieji laikomi lokaliais ne tik erdvėje, bet ir laike, tai yra, laikas gali aiškiai įvesti savo formules. Pastebėkime, kad klasikinis Furjė veikalas „Analitinė šilumos teorija“ (1822), skirtas šilumos laidumo klausimams, aplenkė ne tik nepusiausvyros termodinamikos atsiradimą, bet ir Carnot veikalą „Apmąstymai apie ugnies varomąją jėgą ir mašinos, galinčios išvystyti šią jėgą“ (1824), kuri paprastai laikoma klasikinės termodinamikos istorijos atskaitos tašku.

Pagrindinės termodinamikos sąvokos

Termodinaminė sistema- kūnas arba kūnų grupė, sąveikaujanti, psichiškai arba faktiškai izoliuota nuo aplinkos.

Homogeninė sistema– sistema, kurioje nėra paviršių, skiriančių sistemos dalis (fazes), kurios skiriasi savybėmis.

Heterogeninė sistema– sistema, kurioje yra paviršiai, skiriantys sistemos dalis, kurios skiriasi savybėmis.

Fazė– vienarūšių, fizinėmis ir cheminėmis savybėmis identiškų nevienalytės sistemos dalių rinkinys, atskirtas nuo kitų sistemos dalių matomomis sąsajomis.

Izoliuotas sistema- sistema, kuri nesikeičia nei medžiaga, nei energija su aplinka.

Uždaryta sistema– sistema, kuri keičiasi energija su aplinka, bet nesikeičia materija.

Atidaryti sistema- sistema, kuri keičiasi medžiaga ir energija su aplinka.

Ją apibūdina visų fizinių ir cheminių sistemos savybių visuma termodinaminė būsena. Visi dydžiai, apibūdinantys bet kurią nagrinėjamos sistemos makroskopinę savybę, yra būsenos parametrai. Eksperimentiškai nustatyta, kad norint vienareikšmiškai apibūdinti tam tikrą sistemą, reikia naudoti tam tikrą skaičių parametrų, vadinamų nepriklausomas; visi kiti parametrai laikomi nepriklausomų parametrų funkcijomis. Paprastai kaip nepriklausomi būsenos parametrai pasirenkami tiesiogiai išmatuojami parametrai, tokie kaip temperatūra, slėgis, koncentracija ir kt. Bet koks termodinaminės sistemos būsenos pokytis (bent vieno būsenos parametro pokytis) yra termodinaminis procesas.

Grįžtamasis procesas– procesas, leidžiantis sistemai grįžti į pradinę būseną, neliekant jokių pokyčių aplinkoje.

Pusiausvyros procesas– procesas, kurio metu sistema pereina ištisinę pusiausvyros būsenų seką.

Energija– sistemos gebėjimo atlikti darbą matas; bendras kokybinis materijos judėjimo ir sąveikos matas. Energija yra neatsiejama materijos savybė. Skiriama potenciali energija, kurią sukelia kūno padėtis tam tikrų jėgų lauke, ir kinetinė energija, kurią sukelia kūno padėties erdvėje pasikeitimas.

Vidinė sistemos energija– visų sistemą sudarančių dalelių kinetinės ir potencinės energijos suma. Taip pat galite apibrėžti vidinę sistemos energiją kaip jos bendrą energiją, atėmus visos sistemos kinetinę ir potencialią energiją.

Energijos perėjimo formos

Energijos perdavimo iš vienos sistemos į kitą formas galima suskirstyti į dvi grupes.

1. Pirmajai grupei priklauso tik viena judėjimo perėjimo forma chaotiškais dviejų besiliečiančių kūnų molekulių susidūrimais, t.y. šilumos laidumu (o kartu ir spinduliavimu). Tokiu būdu perduodamo judesio matas yra šiluma. Šiluma yra energijos perdavimo forma per netvarkingą molekulių judėjimą.
2. Antroji grupė apima įvairias judėjimo perėjimo formas, kurių bendras bruožas yra masių, apimančių labai daug molekulių (t.y. makroskopinių masių), judėjimas veikiant bet kokioms jėgoms. Tai kūnų kėlimas gravitaciniame lauke, tam tikro elektros kiekio perėjimas iš didesnio elektrostatinio potencialo į mažesnį, dujų išsiplėtimas veikiant slėgiui ir kt. Bendras tokiais metodais perduodamo judesio matas yra darbas - energijos perdavimo forma, kai dalelės juda tvarkingai.

Šiluma ir darbas kokybiškai ir kiekybiškai apibūdina dvi skirtingas judėjimo perkėlimo iš tam tikros materialaus pasaulio dalies į kitą formas. Kūne negali sulaikyti šilumos ir darbo. Šiluma ir darbas atsiranda tik tada, kai vyksta procesas, ir apibūdina tik procesą. Statinėmis sąlygomis šiluma ir darbas neegzistuoja. Skirtumas tarp šilumos ir darbo, kurį termodinamika priima kaip atskaitos tašką, ir šilumos priešprieša darbui turi prasmę tik kūnams, susidedantiems iš daugybės molekulių, nes vienai molekulei arba kelių molekulių rinkiniui šilumos ir darbo sąvokos praranda prasmę. Todėl termodinamika laiko tik kūnus, susidedančius iš daugybės molekulių, t.y. vadinamosios makroskopinės sistemos.

Trys termodinamikos principai

Termodinamikos principai yra postulatų, kuriais grindžiama termodinamika, rinkinys. Šios nuostatos buvo nustatytos atlikus mokslinius tyrimus ir įrodytos eksperimentiškai. Jie priimami kaip postulatai, kad termodinamiką būtų galima sukonstruoti aksiomatiškai.

Termodinamikos principų poreikį lemia tai, kad termodinamika aprašo makroskopinius sistemų parametrus be konkrečių prielaidų dėl jų mikroskopinės struktūros. Statistinė fizika nagrinėja vidinės struktūros klausimus.

Termodinamikos principai yra nepriklausomi, tai yra, nė vienas iš jų negali būti kilęs iš kitų principų. Trijų Niutono dėsnių analogai mechanikoje yra trys termodinamikos principai, jungiantys „šilumos“ ir „darbo“ sąvokas:

• Nulinis termodinamikos dėsnis kalba apie termodinaminę pusiausvyrą.
• Pirmasis termodinamikos dėsnis yra apie energijos išsaugojimą.
• Antrasis termodinamikos dėsnis yra apie šilumos srautus.
• Trečiasis termodinamikos dėsnis yra apie absoliutaus nulio nepasiekimą.

Bendrasis (nulinis) termodinamikos dėsnis

Bendrasis (nulinis) termodinamikos dėsnis teigia, kad du kūnai yra šiluminės pusiausvyros būsenoje, jei gali perduoti šilumą vienas kitam, tačiau taip neįvyksta.

Nesunku atspėti, kad du kūnai neperduoda vienas kitam šilumos, jeigu jų temperatūra yra vienoda. Pavyzdžiui, jei matuojate žmogaus kūno temperatūrą termometru (matavimo pabaigoje žmogaus ir termometro temperatūra bus lygi), o tada, naudodami tą patį termometrą, išmatuokite temperatūrą vandens vonioje, o paaiškėja, kad abi temperatūros sutampa (tarp žmogaus ir termometro ir termometro su vandeniu yra šiluminė pusiausvyra), galima sakyti, kad žmogus yra šiluminėje pusiausvyroje su vandeniu vonioje.

Iš to, kas išdėstyta aukščiau, nulinį termodinamikos dėsnį galime suformuluoti taip: du kūnai, esantys šiluminėje pusiausvyroje su trečiuoju, taip pat yra šiluminėje pusiausvyroje vienas su kitu.

Fiziniu požiūriu termodinamikos nulinis dėsnis nustato atskaitos tašką, nes tarp dviejų kūnų, kurių temperatūra yra tokia pati, nėra šilumos srauto. Kitaip tariant, galime pasakyti, kad temperatūra yra ne kas kita, kaip šiluminės pusiausvyros rodiklis.

Pirmasis termodinamikos dėsnis

Pirmasis termodinamikos dėsnis yra šiluminės energijos tvermės dėsnis, teigiantis, kad energija niekur nedingsta be pėdsakų.

Sistema gali absorbuoti arba išleisti šiluminę energiją Q, o sistema atlieka darbą W aplinkiniams kūnams (arba aplinkiniai kūnai atlieka darbą sistemoje), o sistemos vidinė energija, kurios pradinė vertė Vienetas, bus lygus Uend:

Uend-Ustart = ΔU = Q-W

Šiluminė energija, darbas ir vidinė energija lemia bendrą sistemos energiją, kuri yra pastovi vertė. Perdavus (atėmus) iš sistemos tam tikrą kiekį šiluminės energijos Q, nesant darbo, sistemos U vidinės energijos kiekis padidės (sumažės) Q.

Antrasis termodinamikos dėsnis

Antrasis termodinamikos dėsnis teigia, kad šiluminė energija gali judėti tik viena kryptimi – iš aukštesnės temperatūros kūno į žemesnės temperatūros kūną, bet ne atvirkščiai.

Trečiasis termodinamikos dėsnis

Trečiasis termodinamikos dėsnis teigia, kad bet koks procesas, susidedantis iš baigtinio etapų skaičiaus, neleis jam pasiekti absoliutaus nulio temperatūros (nors ją galima gerokai priartėti).