termodinamika, (iš graikų kalbos Therme – šiluma + Dynamis – jėga) – taikomosios fizikos arba teorinės šiluminės inžinerijos šaka, tirianti judesio pavertimą 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 naudojamas 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 pavadinimas jam atrodė tinkamesnis<термостатика>, tačiau S. Arrhenius (1859-1927) ir G. Eyring (1901-1981) dėka jo taikymas cheminių reakcijų (cheminės kinetikos) greičių analizei sulaukė labai nuodugnios plėtros. Šiuo metu pagrindinė termodinamikos problema yra jos taikymas negrįžtamiems procesams, ir jau padaryta didelė pažanga kuriant teoriją, savo apimtimi panašią į grįžtamųjų procesų termodinamiką.
Termodinamikos skyriai
Klasikinė termodinamika susideda iš skyrių:
- Pagrindiniai termodinamikos dėsniai (kartais dar vadinami principais).
- Paprastų termodinaminių sistemų (idealios dujos, tikrosios dujos, dielektrikai ir magnetai ir kt.) būsenos ir kitų savybių lygtys.
- 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;
- termodinamikos pritaikymas nestandartinėms sistemoms.
Fizikinė termodinamikos reikšmė
Termodinamikos būtinybė
Termodinamika istoriškai atsirado kaip empirinis mokslas apie pagrindinius kūnų vidinės energijos pavertimo mechaniniam darbui būdus. Tačiau besivystant termodinamika prasiskverbė į visas fizikos šakas, kur buvo galima įvesti „temperatūros“ sąvoką ir leido teoriškai numatyti daugybę reiškinių dar ilgai prieš atsirandant griežtai šių reiškinių teorijai.
Dėsniai – termodinamikos principai
Termodinamika remiasi trimis dėsniais – principais, kurie suformuluoti remiantis eksperimentiniais duomenimis ir todėl gali būti priimti kaip postulatai.
* 1-asis dėsnis – pirmasis termodinamikos dėsnis: W. Leibnizui (1646-1716) jau buvo neabejotina, kad konservatyvioje sistemoje (panašioje į gravitacinį lauką) kinetinės ir potencialinės energijos suma išlieka nepakitusi, kad ir kokios vienos transformacijos į kitą įvyktų. Paprastas pavyzdys yra švytuoklė, kurios kinetinė energija periodiškai virsta potencialia energija ir atvirkščiai, ir tai galėtų tęstis neribotą laiką, jei energija neišsisklaidytų dėl trinties. Tačiau pakaboje yra trinties, taip pat oro pasipriešinimo, kurį taip pat sukelia trintis. Todėl švytuoklė ilgainiui praranda savo tariamo judėjimo kinetinę energiją, tačiau Rumfoordo ir kitų mokslininkų eksperimentai parodė, kad energija virsta tik šiluma, o dėl to pakyla švytuoklės ir aplinkos temperatūra. Taigi griežtai periodiški švytuoklės svyravimai virsta chaotišku jos ir aplinkos molekulių judėjimu.
Visa tai, kas išdėstyta aukščiau, randa bendrą išraišką pirmajame termodinamikos įstatyme – energijos tvermės dėsne. Pagal šį dėsnį visose tokiose transformacijose energija neatsiranda ir neišnyksta, ji tik keičia formą. Į tai 1837 m. atkreipė dėmesį puikus, bet beveik nežinomas mąstytojas C. More savo straipsnyje Apie šilumos prigimtį: „Esant tinkamoms sąlygoms energija gali pasireikšti kaip judėjimas, sanglauda, elektra, šviesa, šiluma ir magnetizmas. Energijos tvermės dėsnį 1847 metais aiškiai suformulavo G. Helmholtzas (1821-1894), tačiau net ir po to nebuvo iš karto pripažintas universalus įstatymo pobūdis. XX amžiuje jį reikėjo dar apibendrinti įtraukiant teoriškai A. Einšteino nustatytą ryšį E = mc 2 tarp masės m ir energijos E (c – šviesos greitis), iš ko išplaukia, kad masės ir energijos suma lieka nepakitusi.
* 2-asis dėsnis – antrasis termodinamikos dėsnis: Dėl vidinių temperatūrų išlyginimo izoliuota sistema pereina į labiausiai tikėtiną būseną, kurioje judėjimas yra itin chaotiškas. Toks spontaniškas valstybės su didžiausiu chaoso laipsniu troškimas yra, kitaip tariant, maksimalios entropijos troškimas, kurį galima laikyti energijos nenaudingumo termodinaminėje sistemoje matu. Antrojo termodinamikos dėsnio, kurį 1850 m. suformulavo R. Clausius (1822-1888), esmė ta, kad izoliuotoje sistemoje vidinis energijos pasiskirstymas visada spontaniškai keičiasi taip, kad entropija pasiekia maksimalią vertę naudingojo sumažinimo kaina. energijos dalis. Dėl šios priežasties antros rūšies amžinasis variklis yra neįmanomas.
Negrįžtamas entropijos padidėjimas šiluminiuose procesuose yra nesuprantamas tiems, kurie tik pradėjo susipažinti su termodinamika, tačiau tai nesunku paaiškinti remiantis tikimybių teorija. Įsivaizduokime du kauliukus, šešiais į viršų. Jei prieš vėl išmesdami juos papurtytume, tikimybė gauti du šešetus maža – 1:36. Taigi, galime teigti, kad atsitiktinis kauliukų judėjimas (maišymas), kaip ir chaotiškas molekulių judėjimas, atitinkantis jų šiluminę energiją, pasirodo esąs perėjimo iš mažiau tikėtinos būsenos į labiau tikėtiną priežastį. Jei turime milijonus kauliukų (atomų ir molekulių, kuriems atliekami termodinaminiai skaičiavimai), tada tikimybė, kad visi šeši iškris vienu metu, yra tokia nereikšminga, kad sistema tiesiog negali neįeiti į vieną iš labiausiai tikėtinų būsenų.
* 3-asis dėsnis – trečiasis termodinamikos dėsnis: Jei šiluma yra atsitiktinis molekulių vibracinis judėjimas, tada aušinant sistemos entropija turėtų sumažėti. Kai šiluminis judėjimas visiškai sustoja, sistemos temperatūra bus absoliuti nulinė. Natūralu manyti, kad esant tokiai temperatūrai entropija lygi nuliui.
Norint rasti absoliučią entropijos vertę, būtina žinoti šiluminę talpą esant absoliučiai nulinei temperatūrai. Išmatavus daugelio medžiagų šiluminę talpą esant labai artimai absoliučiam nuliui, W. Nernstas (1864-1941) padarė išvadą, kad visų kristalinių medžiagų šiluminė talpa absoliutaus nulio temperatūroje yra lygi nuliui. Ši Nernsto šiluminė teorema dabar vadinama trečiuoju termodinamikos dėsniu. Jo reikšmė yra ta, kad ji leidžia palyginti skirtingų medžiagų entropijas, nes visos jos yra lygios nuliui esant absoliučiai nulinei temperatūrai.
* Pastaba - nulinis termodinamikos dėsnis: Nors bendra izoliuotos sistemos energija išlieka pastovi, šiluma perduodama iš karštos sistemos dalies į vėsesnę, ir jei šios dalys nėra izoliuotos viena nuo kitos, jų temperatūra ilgainiui tampa vienoda. Ši pozicija, mums žinoma iš kasdienio gyvenimo patirties, kartais vadinama nuliniu termodinamikos dėsniu.
Pirmasis termodinamikos dėsnis– sistemos vidinės energijos pokytis pereinant iš vienos būsenos į kitą yra lygus į sistemą iš išorės tiekiamo šilumos kiekio ir ją veikiančių išorinių jėgų darbo sumai: ∆ U= K+ A.
Analitinės išraiškos:
Per vidinę energiją ir darbą: dq= du+ pdV
Per entalpiją: dq=dh-Vdp
Antrasis termodinamikos dėsnis, taikomas ciklams. Entropija.
- Šiluma natūraliai pereina tik iš aukštesnės temperatūros kūno į žemesnės temperatūros kūną ir negali spontaniškai pereiti į priešingą būseną.
- Į darbą gali patekti ne visa šiluma, gauta iš šilumos perdavimo, o tik dalis jos. Dalis šilumos turi patekti į šilumos kriaukle.
Entropija yra darbinio skysčio būsenos parametras, nustatantis ryšį tarp šilumos kiekio ir temperatūros. S= ponia išmatuota J/K.
Entropija analitiškai apibrėžiama taip: dS=sigmaq/ T.
Žiediniai termodinaminiai procesai (tiesioginiai ir atvirkštiniai ciklai). Carnot ciklas. Ciklo šiluminis efektyvumas.
Tiesioginis ciklas
Atvirkštinis ciklas
Ɛ=
q2/
lc=q2/(q1-
q2), Ɛ-šalta. Koef.
Darbai atlikti iš išorės.
Neįmanoma savarankiška gamyba. Šilumos tiekimas nuo šalto iki karšto.
Carnot ciklas yra idealus termodinaminis ciklas. Susideda iš 2 adiabatinių ir 2 izoterminių procesų.
Darbas atliekamas pačios sistemos.
Šilumos talpa. Apibrėžimas CpIrCvir ryšį tarp jų.
Šilumos talpa – tai šilumos kiekis, kurį reikia perduoti kūnui, kad jis pasikeistų 1 laipsniu. fizinis kiekis, apibrėžiantis begalinio mažumo santykį šilumos kiekisδ K, kurį gauna kūnas, iki atitinkamo jo prieaugio temperatūros δ T.
- Esant pastoviam tūriui, lygiam šilumos kiekio, tiekiamo į organizmą procese esant pastoviam tūriui, ir kūno temperatūros pokyčio santykiui.
- Esant pastoviam slėgiui, lygiam šilumos kiekio, perduodamo kūnui vykstant pastoviam slėgiui, ir kūno temperatūros pokyčio dT santykiui.
Komunikacija – šiluminės talpos sąvoka apibrėžiama tiek medžiagoms, kurios yra įvairiose agregacijos būsenose (kietos medžiagos, skysčiai, dujos), tiek dalelių ir kvazidalelių ansambliams (pavyzdžiui, metalo fizikoje kalbama apie elektronų dujų šiluminę talpą). .
Vandens garai kaip darbinis skystis,p- v, T- s, h- sdiagramas.
Vandens garai yra daugumos šiluminių mechanizmų darbinis skystis. Dujinė vandens būsena. Jis neturi spalvos, skonio ar kvapo. Esama troposferoje.
1-2 kaitinant vandenį iki virimo
2-3 garų susidarymas
3-4 garų perkaitimas
1-2 šildymas
2-3 virimas (garinimas)
3-4 perkaitimas
VNP – drėgni prisotinti garai
garo procesų ir šiluminių elektrinių ciklų vandens garų diagrama. 
Pagrindinės vandens garų charakteristikos: sotieji ir perkaitinti garai, garavimo šiluma.
Sotūs garai- yra garai, esantys termodinaminėje pusiausvyroje su tos pačios sudėties skysčiu arba kieta medžiaga. Jo temperatūra priklauso nuo terpės, kurioje vyksta virimo procesas, slėgio.
Perkaitinti garai - garai, kaitinamas iki aukštesnės nei temperatūros virimo temperatūra esant tam tikram slėgiui. Naudojami perkaitinti garai ciklaiįvairių šiluminiai varikliai siekiant juos padidinti Efektyvumas. Perkaitinti garai gaminami specialiuose įrenginiuose - perkaitintuvai.
Medžiagos garavimo šiluma- šilumos kiekis, reikalingas 1 moliui medžiagos paversti garų būsena virimo temperatūroje. Jis matuojamas džauliais.
Idealiųjų dujų termodinaminiai procesai. Klasifikacija, būsenos lygtis, rodiklio reikšmė “n“ apibendrinančioje lygtyjepv^ n= konstpagrindiniams procesams.
Pagrindiniai idealių dujų procesai:
Izochorinis (tekantis pastoviu tūriu)
Izobarinis (esant pastoviam slėgiui)
Izometrinis (esant pastoviai t)
Adiabatinis (procesas, kurio metu nėra šilumos mainų su aplinka)
Politropinis (patenkinta lygtis pv^n=konst
Būsenos lygtis: pv= RT arba pv/ T= P
pv^ n= konst ; politropinis indeksas gali gauti bet kokią reikšmę
Termodinaminė procesų kompresoriuose analizė.
Terminas. kompresoriaus analizė yra tam tikras darbo kiekis, sugaištas suspaudžiant darbinį skystį esant tam tikriems pradiniams ir galutiniams parametrams. Paprastai kompresoriai atlieka politropinį suspaudimą, kurio politropinis indeksas n=1,2.
Šilumos perdavimo rūšys ir kiekybinės charakteristikos.
Šilumos perdavimo ir šilumos perdavimo samprata.Šilumos laidumas
- tai vidinės energijos perkėlimas iš labiau šildomų kūno dalių (ar kūnų) į mažiau šildomas dalis (ar kūnus), kurį atlieka chaotiškai judančios kūno dalelės (atomai, molekulės, elektronai ir kt.). Konvekcija (iš lat. konvekcija - „pernešimas“) yra šilumos perdavimo skysčiuose, dujose arba granuliuotose terpėse reiškinys medžiagų srautais. Yra vadinamasis, kuris spontaniškai atsiranda medžiagoje, kai ji netolygiai įkaista gravitaciniame lauke. Priverstinė – ji pati sukelia aplinkos judėjimą.
Šiluminė spinduliuotė –šilumos perdavimas naudojant skirtingo bangos ilgio elektromagnetinius virpesius. Aktualu esant aukštai temperatūrai.
Kiekis Har-ki.
[J] –šilumos kiekis
[J/s] –šilumos srautas
[W/m^2] –šilumos srauto tankis
Šilumos išsklaidymas -šilumos perdavimas iš terpės į sieną arba iš sienos į terpę.
Šilumos perdavimas - bendras šilumos perdavimas iš vienos terpės į kitą.
Plokščios sienos šilumos laidumo lygtis.
Šilumos laidumo koeficiento fizinė reikšmė. 
Temperatūra keičiasi tik x ašies kryptimi. τ
Q = λ / sienos storis * (tst1 – tst2) F *
λ – medžiagos sienelės šilumos laidumo koeficientas
tst1 – tst2 – skirtumas t viršus. sienos
F – sienos paviršius
Tau – laikas.
Λ – šilumos laidumo koeficientas [W/m*K] – apibūdina šilumos perdavimo greitį.
Konvekcinis šilumos perdavimas: Niutono-Richmanno dėsnis, šilumos perdavimo koeficientas ir jo vertę įtakojantys veiksniai.
Konvekcinis šilumos perdavimas – tai šiluminės energijos mainai tarp kieto kūno paviršiaus ir jį supančios aplinkos. jos aplinka. Niutono-Richmanno dėsnis
- empirinis dėsnis, išreiškiantis šilumos srautą tarp skirtingų kūnų per temperatūros slėgį.
Šilumos kiekis prieš suvažiavimą skaičiuojamas pagal šilumos lygį. Newton-Richmann Q=aF(tst – tl) a – koeficientas. šilumos perdavimas.
šilumos perdavimo koeficientas – šilumos srauto tankis esant temperatūrų skirtumui 1K, matuojamas W/(m²·K).
Tai priklauso:
apie aušinimo skysčio tipą ir jo temperatūrą;
apie slėgio temperatūrą, konvekcijos tipą ir srauto režimą;
dėl paviršiaus būklės ir tekėjimo krypties;
nuo kūno geometrijos.Konvekcinio šilumos perdavimo kriterinių lygčių tipai. Panašumo kriterijų fizinė reikšmė, Nu, Re, Gr.
Pr Nu = αl/λ Nu = f(Re1 * Pr) – Nusselto kriterijus
(be matmenų šilumos perdavimo koeficientas), apibūdina šilumos mainus tarp sienos paviršiaus ir skysčio (dujų);
Valgo: Nu = f(Gr1*Pr) → Nu = C(Gr*Pr)^n Pvz.: Nu = C * Re^n * Pr^m * (Przh/ Pr st) Re = w·l/v, w – m/s, v – kinet. Klampumas, m/s, l – skirtumo charakteristika - Reinoldso kriterijus , apibūdina inercijos ir klampumo jėgų ryšį bei lemia skysčio (dujų) tėkmės pobūdį; Gr = gl 3 /ν 2 * β(tst – tl); β = 1/T – Grashofo kriterijus (natūrali konvekcija) , apibūdina kėlimo jėgą, kuri susidaro skystyje (dujose) dėl tankio skirtumo; Pr = (Mcp)/λ; M – klampos dinamika; Trečiadienis - šiluminė talpa - Prandtl kriterijus
l – apibrėžiantis dydį (ilgis, aukštis, skersmuo).
Pirmasis termodinamikos dėsnis yra energijos tvermės dėsnis, taikomas termodinaminiams procesams: energija nedingsta niekur ir neatsiranda iš nieko, o tik pereina iš vienos rūšies į kitą lygiaverčiais kiekiais. Pavyzdys būtų šilumos perdavimas (šilumos energija)į mechaninę energiją ir atvirkščiai.
Jei prie M kg dujų, užimančių tūrį V (m 3), esant pastoviam slėgiui T, pridedama tam tikras šilumos kiekis dQ, tai dėl to dujų temperatūra padidės dT, o tūris - dV. Temperatūros padidėjimas yra susijęs su molekulinio judėjimo kinetinės energijos dK padidėjimu.
Padidėjus tūriui, didėja atstumas tarp molekulių ir dėl to sumažėja jų sąveikos potenciali energija dH. Be to, padidindamos savo tūrį, dujos veikia dA, kad įveiktų išorines jėgas.
Jei, be nurodytų, darbiniame skystyje nevyksta jokie kiti procesai, tada, remiantis energijos tvermės dėsniu, galime rašyti:
dQ = dK + dH + dA.
Suma dK + dH reiškia sistemos molekulių vidinės energijos dU pokytį dėl šilumos tiekimo.
Tada termodinaminio proceso energijos taupymo formulė gali būti parašyta taip:
dQ = dU + dA arba dQ = dU + pdV.
Ši lygtis yra matematinė išraiška pirmasis termodinamikos dėsnis: į dujų sistemą tiekiamas šilumos kiekis dQ išleidžiamas keičiant jos vidinę energiją dU ir atliekant išorinius darbus dA.
Paprastai manoma, kad kai dQ > 0 šiluma perduodama darbiniam skysčiui, o kai dQ< 0 теплота отнимается от тела. При dA >0 sistema veikia (dujos plečiasi), ir dA< 0 работа совершается над системой (газ сжимается) .
Idealioms dujoms, kurių molekulės nesąveikauja, vidinės energijos dU pokytį visiškai lemia judėjimo kinetinės energijos pokytis. (ty padidinti molekulių greitį), o tūrio pokytis apibūdina dujų darbą siekiant įveikti išorines jėgas.
Pirmasis termodinamikos dėsnis turi kitą formuluotę: izoliuotos termodinaminės sistemos energija išlieka nepakitusi nepriklausomai nuo to, kokie procesai joje vyksta.
Neįmanoma sukurti pirmos rūšies amžinojo varymo mašinos, tai yra periodiškai veikiančios mašinos, kuri dirbtų neeikvodama energijos.
Antrasis termodinamikos dėsnis
Pirmasis termodinamikos dėsnis aprašo kiekybinius ryšius tarp termodinaminės sistemos parametrų, vykstančių šiluminės energijos pavertimo mechanine energija procesuose ir atvirkščiai, tačiau nenustato sąlygų, kurioms esant šie procesai galimi. Šias sąlygas, būtinas vienos rūšies energijai paversti kita, atskleidžia antrasis termodinamikos dėsnis.
Yra kelios šio dėsnio formuluotės ir kiekviena iš jų turi tą patį semantinį turinį. Čia pateikiamos dažniausiai cituojamos antrojo termodinamikos dėsnio formuluotės.
1. Norint šilumą paversti mechaniniu darbu, būtina turėti šilumos šaltinį ir šaldytuvą, kurio temperatūra žemesnė už šaltinio temperatūrą, t.y., būtinas temperatūrų skirtumas.
2. Neįmanoma įdiegti šilumos variklio, kurio vienintelis rezultatas būtų bet kurio kūno šilumos pavertimas darbu, kai dalis šilumos neperduodama kitiems kūnams.
Iš šios formuluotės galime daryti išvadą, kad neįmanoma sukurti nuolatinio judėjimo mašinos, kuri veiktų tik dėl vieno šilumos šaltinio, nes bet koks, net ir pats kolosaliausias šilumos šaltinis materialaus kūno pavidalu, negali tiekti daugiau. šiluminės energijos nei leidžia entalpija (dalis visos kūno energijos, kuri gali būti paversta šiluma atvėsinant kūną iki absoliučios nulinės temperatūros).
3. Šiluma negali pati savaime pereiti iš mažiau šildomo kūno į labiau įkaitintą be išorinių darbų.
Kaip matote, antrasis termodinamikos dėsnis nėra pagrįstas formuliniu turiniu, o tik apibūdina sąlygas, kuriomis galimi tam tikri termodinaminiai reiškiniai ir procesai, iš tikrųjų patvirtinantis bendrąjį energijos tvermės dėsnį.
Trečiasis, arba trečiasis termodinamikos dėsnis, dar vadinamas Nernsto principu.
Antrasis termodinamikos dėsnis leidžia nustatyti ne pačios entropijos reikšmę, o tik jos pokytį:
dS = δQ/T .
Tačiau absoliučią entropijos vertę galima apskaičiuoti naudojant trečiąjį termodinamikos dėsnį. Reikia atsiminti, kad šis dėsnis gali būti taikomas tik termodinaminės sistemos pusiausvyros būsenoms.
Trečiasis termodinamikos dėsnis suformuluotas taip: Entropijos padidėjimas esant absoliučiai nulinei temperatūrai siekia baigtinę ribą, nepriklausomą nuo pusiausvyros būsenos, kurioje yra sistema.».
kur x yra bet koks termodinaminis sistemos parametras (slėgis, tūris ir kt.).
Nernsto teorema
Walteris Hermanas Nernstas
1906 m. vokiečių chemikas Walteris Hermannas Nernstas paskelbė savo trečiojo termodinamikos dėsnio formuluotę, kuri vadinama Nernsto teorema. Jis taip tvirtino chemiškai vienalyčio kūno entropija esant absoliučiam nuliui temperatūrai taip pat yra lygi nuliui.
Bet kurios pusiausvyros termodinaminės sistemos entropija ties T = 0 žymimas kaip S 0 . Mokslininkai sutarė, kad kada T = 0 S 0 taip pat yra nulis.
Pagal Nernsto teoremą kadangi temperatūra linkusi į absoliutų nulį (T → 0), bet kurios pusiausvyros termodinaminės sistemos entropija linkusi į tam tikrą baigtinę S 0 ribą, nepriklausomą nuo sistemos būsenos parametrų (slėgio, tūrio ir kt.), ir gali būti paimta. lygus nuliui“ Ši formuluotė nėra vienintelė. Jų yra keletas. Bet jų visų prasmė ta pati: „ bet kurio kūno entropija esant absoliučiai nulinei temperatūrai taip pat lygi nuliui».
Manoma, kad jei termodinaminė sistema pereina iš vienos būsenos į kitą esant temperatūrai, artimai absoliučiam nuliui, tai entropija nekinta.
Plancko apibrėžimas
Maksas Plankas
1911 m. vokiečių teorinis fizikas Maxas Planckas pateikė savo trečiojo termodinamikos dėsnio apibrėžimą: „Kai temperatūra linksta į absoliutų nulį, visų kūnų entropija taip pat linkusi į nulį“.
Plancko formulėje entropija apskaičiuojama naudojant termodinaminę tikimybę W .
S = k lnW
Esant absoliučiai nulinei temperatūrai, termodinaminė sistema yra kvantinės mechaninės būsenos, kurią galima apibūdinti viena mikrobūkle. Šiuo atveju W = 1. S 0 = k · ln1=0 .
Taigi termodinaminės sistemos entropija yra lygi nuliui T = 0 . Paimkime šią būseną kaip pradinę. Dabar galime apskaičiuoti entropiją bet kuriame kitame termodinaminės sistemos taške. Nes S 0 = 0 , tada entropija bet kuriame kitame sistemos taške bus lygi jos absoliučiajai vertei.
Norint atvėsinti termodinaminę sistemą iki absoliutaus nulio, reikia pašalinti šilumą ir sumažinti sistemos temperatūrą. Šiluma pašalinama dėl izoterminio proceso, o temperatūra adiabatiškai mažėja. Todėl šiuos procesus reikia kaitalioti. Bet jei šiluma pašalinama, entropija pasikeičia. Pagal Nernsto teoremą, entropija kinta su T → 0 nevyksta. Todėl absoliutaus nulio pasiekti neįmanoma. Prie jo galima tik priartėti.
Nernsto teoremos negalima įrodyti matematiškai, tačiau jos pagrįstumą patvirtino daugybė eksperimentų.
Tęsdami kursą „Fizika manekenams“, pradėsime svarstyti tokio svarbaus skyriaus pagrindus kaip termodinamika.
Aktyvus termodinamikos vystymasis prasidėjo XIX a. Tada žmonės pradėjo statyti pirmuosius garo variklius, o vėliau juos aktyviai diegti į gamybą. Prasidėjo pramonės revoliucija, ir, žinoma, visi norėjo padidinti mašinų efektyvumą, kad galėtų pagaminti daugiau produktų, keliauti toliau ir galiausiai gauti daugiau pinigų. Visa tai labai gerai skatino mokslo raidą ir atvirkščiai. Bet pereikime prie reikalo esmės.
Termodinamika – fizikos šaka, tirianti makroskopines sistemas, bendriausias jų savybes, energijos perdavimo ir transformavimo tokiose sistemose būdus.
Kas yra makroskopinės sistemos? Tai sistemos, susidedančios iš labai daug dalelių. Pavyzdžiui, dujų balionas arba balionas. Apibūdinti tokių sistemų klasikinės mechanikos metodais tiesiog neįmanoma – juk negalime atskirai išmatuoti kiekvienos dujų molekulės greičio, energijos ir kitų parametrų. Nepaisant to, visos dalelių populiacijos elgesys priklauso nuo statistikos dėsnių. Tiesą sakant, bet kurį mums (plika akimi) matomą objektą galima apibrėžti kaip termodinaminę sistemą.
- faktiškai ar mintimis išsiskirianti makroskopinė fizinė sistema, susidedanti iš daugybės dalelių, kuriai apibūdinti nereikia naudoti atskirų dalelių mikroskopinių charakteristikų. Atitinkamai termodinaminei sistemai apibūdinti naudojami makroskopiniai parametrai, kurie nėra susiję su kiekviena dalele, o apibūdina sistemą kaip visumą. Tai temperatūra, slėgis, tūris, sistemos masė ir taip toliau.
Svarbu pažymėti, kad termodinaminės sistemos gali būti uždaryta Ir atviras. Uždara sistema yra sistema, kuri yra apsaugota nuo aplinkos naudojant tikrą arba įsivaizduojamą apvalkalą, o dalelių skaičius sistemoje išlieka pastovus.
Sistema gali būti įvairių būsenų. Pavyzdžiui, paėmėme dujų balioną ir pradėjome jį šildyti. Taigi mes pakeitėme dujų molekulių energiją, jos pradėjo judėti greičiau, o sistema perėjo į kažkokią naują būseną su aukštesne temperatūra. Bet kas atsitiks, jei sistema bus palikta ramybėje? Tada sistema po kurio laiko pasieks būseną termodinaminė pusiausvyra.
Ką tai reiškia?
Termodinaminė pusiausvyra – tai sistemos būsena, kai jos makroskopiniai parametrai (temperatūra, tūris ir kt.) laikui bėgant nekinta.
Termodinamika stovi ant trijų ramsčių. Yra trys pagrindiniai termodinamikos postulatai arba trys dėsniai. Jie atitinkamai vadinami pirmuoju, antruoju ir trečiuoju termodinamikos dėsniais. Panagrinėkime pirmąjį arba pirmąjį termodinamikos dėsnį.
Pirmasis termodinamikos dėsnis
Pirmasis termodinamikos dėsnis teigia:
Bet kurioje izoliuotoje sistemoje energijos tiekimas išlieka pastovus.
Beje, šis postulatas turi dar keletą lygiaverčių formuluočių. Išvardinkime juos žemiau:
Sistemos gaunamas šilumos kiekis atitenka vidinei sistemos energijai keisti, taip pat darbams prieš išorines jėgas atlikti.
Pirmojo tipo amžinasis variklis (variklis, kuris veikia neeikvodamas energijos) yra neįmanomas.
Užrašykime ir pirmojo termodinamikos dėsnio matematinę išraišką:
Čia Q yra šilumos kiekis, delta U yra vidinės energijos pokytis, A yra darbas prieš išorines jėgas. Skirtingiems termodinaminiams procesams dėl jų savybių pirmojo dėsnio įrašymas atrodys kitaip.
Kodėl pirmos rūšies amžinasis variklis yra neįmanomas?
Nuo seniausių laikų žmones traukė Jos Didenybės Nemokamai. Filosofinis akmuo, bet kurį metalą paverčiantis auksu, savarankiškai surinkta staltiesė, su kuria gaminti nereikia, džinas, kuris įgyvendina bet kokį norą. Kita tokia idėja buvo amžinojo judesio mašinos idėja.
Amžinasis variklis neįmanomas, nes taip veikia pasaulis. Termodinamikos dėsniai mums tai sako. Pagal pirmąjį termodinamikos dėsnį, sistemos gaunamas šilumos kiekis eina keisti sistemos vidinę energiją, taip pat dirbti prieš išorines jėgas. Pavyzdžiui, dujos, dedamos į cilindrą su stūmokliu, gaudamos tam tikrą šilumos kiekį, padidina savo vidinę energiją, molekulės juda greičiau, dujos užima didesnį tūrį ir stumia stūmoklį (dirba prieš išorines jėgas). Kitaip tariant, jei darbas atliekamas be išorinio energijos antplūdžio, tai galima padaryti tik dėl vidinės sistemos energijos, kuri anksčiau ar vėliau išdžius, virsdama tobulu darbu, tuo metu viskas baigsis ir sistema pasieks termodinaminės pusiausvyros būseną. Juk energija pasaulyje niekur nedingsta ir neateina, jos kiekis išlieka pastovus, o keičiasi tik forma. Žinoma, pastebėjote, kad kalbame apie vadinamąjį pirmos rūšies amžinąjį variklį (kuris gali dirbti be energijos). Skubame jus patikinti, kad antrojo tipo amžinojo varymo mašinos egzistavimas taip pat neįmanomas ir paaiškinamas antruoju termodinamikos dėsniu, apie kurį kalbėsime artimiausiu metu.
Tikimės, kad Jūsų pažintis su termodinamika buvo maloni ir ją pamilsite visa širdimi. Jei taip neatsitiks, visada galite priskirti termodinamikos užduotis, kurias reikia atlikti, kol darysite malonesnius dalykus.
