Termodinamica este o ramură importantă a fizicii. Putem spune cu siguranță că realizările sale au dus la apariția erei tehnologice și au determinat în mare măsură cursul istoriei umane în ultimii 300 de ani. Articolul discută prima, a doua și a treia lege a termodinamicii și aplicarea lor în practică.
Ce este termodinamica?
Înainte de a formula legile termodinamicii, să ne dăm seama ce face această secțiune a fizicii.
Cuvântul „termodinamică” este de origine greacă și înseamnă „mișcare din cauza căldurii”. Adică, această ramură a fizicii este angajată în studiul oricăror procese, în urma cărora energia termică este convertită în mișcare mecanică și invers.
Legile de bază ale termodinamicii au fost formulate la mijlocul secolului al XIX-lea. Știința „mișcării și căldurii” ia în considerare comportamentul întregului sistem în ansamblu, studiind modificarea parametrilor săi macroscopici - temperatură, presiune și volum, fără a acorda atenție structurii sale microscopice. Mai mult, primul dintre ele joacă un rol fundamental în formularea legilortermodinamica in fizica. Este curios de observat că acestea sunt derivate exclusiv din observații experimentale.
Conceptul unui sistem termodinamic
Înseamnă orice grup de atomi, molecule sau alte elemente care sunt considerate ca un întreg. Toate cele trei legi sunt formulate pentru așa-numitul sistem termodinamic. Exemple sunt: atmosfera Pământului, orice organism viu, amestecul de gaze dintr-un motor cu ardere internă etc.
Toate sistemele din termodinamică aparțin unuia dintre cele trei tipuri:
- Deschis. Ei schimbă atât căldură, cât și materie cu mediul înconjurător. De exemplu, dacă mâncarea este gătită într-o oală pe foc deschis, atunci acesta este un exemplu viu de sistem deschis, deoarece oala primește energie din mediul extern (foc), în timp ce ea însăși radiază energie sub formă de căldură, și apa se evaporă și din ea (metabolism).
- Închis. În astfel de sisteme nu există schimb de materie cu mediul, deși are loc schimbul de energie. Revenind la cazul anterior: dacă acoperiți fierbătorul cu un capac, puteți obține un sistem închis.
- Izolat. Acesta este un fel de sisteme termodinamice care nu fac schimb de materie sau energie cu spațiul înconjurător. Un exemplu ar fi un termos care conține ceai fierbinte.
Temperatura termodinamică
Acest concept înseamnă energia cinetică a particulelor care formează corpurile înconjurătoare, care reflectă vitezamișcarea aleatorie a particulelor. Cu cât este mai mare, cu atât temperatura este mai mare. În consecință, reducând energia cinetică a sistemului, îl răcim.
Acest concept înseamnă energia cinetică a particulelor care formează corpurile înconjurătoare, care reflectă viteza mișcării haotice a particulelor. Cu cât este mai mare, cu atât temperatura este mai mare. În consecință, reducând energia cinetică a sistemului, îl răcim.
Temperatura termodinamică este exprimată în SI (Sistemul Internațional de Unități) în Kelvin (în onoarea savantului britanic William Kelvin, care a propus pentru prima dată această scară). Înțelegerea primei, a doua și a treia legi ale termodinamicii este imposibilă fără o definiție a temperaturii.
O diviziune de un grad pe scara Kelvin corespunde, de asemenea, unui grad Celsius. Conversia dintre aceste unități se realizează după formula: TK =TC + 273, 15, unde TK și TC - temperaturi în kelvin și, respectiv, grade Celsius.
Particularitatea scării Kelvin este că nu are valori negative. Zero în el (TC=-273, 15 oC) corespunde stării în care mișcarea termică a particulelor sistemului este complet absentă, acestea par a fi „înghețate”.
Conservarea energiei și prima lege a termodinamicii
În 1824, Nicolas Léonard Sadi Carnot, un inginer și fizician francez, a făcut o sugestie îndrăzneață care nu numai că a condus la dezvoltarea fizicii, dar a devenit și un pas major în îmbunătățirea tehnologiei. A luipoate fi formulată astfel: „Energia nu poate fi creată sau distrusă, ea poate fi doar transferată dintr-o stare în alta.”
De fapt, fraza lui Sadi Carnot postulează legea conservării energiei, care a stat la baza primei legi a termodinamicii: „De câte ori un sistem primește energie din exterior, o transformă în alte forme, principala care sunt termice și mecanice."
Formula matematică pentru prima lege se scrie după cum urmează:
Q=ΔU + A, aici Q este cantitatea de căldură transferată de mediu către sistem, ΔU este modificarea energiei interne a acestui sistem, A este lucrul mecanic perfect.
Procese adiabatice
Un bun exemplu al acestora este mișcarea maselor de aer de-a lungul versanților muntilor. Astfel de mase sunt uriașe (kilometri sau mai mult), iar aerul este un excelent izolator termic. Proprietățile remarcate ne permit să considerăm adiabatice orice procese cu mase de aer care apar într-un timp scurt. Când aerul urcă pe un versant de munte, presiunea acestuia scade, se extinde, adică efectuează lucrări mecanice și, ca urmare, se răcește. Dimpotrivă, mișcarea în jos a masei de aer este însoțită de o creștere a presiunii în ea, se comprimă și, din această cauză, devine foarte fierbinte.
Aplicarea legii termodinamicii, care a fost discutată în subtitlul precedent, este cel mai ușor demonstrată folosind exemplul unui proces adiabatic.
Conform definiției, ca urmare a acesteia nu există nici un schimb de energie cumediu, adică în ecuația de mai sus, Q=0. Aceasta conduce la următoarea expresie: ΔU=-A. Semnul minus aici înseamnă că sistemul efectuează un lucru mecanic reducându-și propria energie internă. Trebuie amintit că energia internă depinde direct de temperatura sistemului.
Direcția proceselor termice
Acest număr tratează a doua lege a termodinamicii. Cu siguranță toată lumea a observat că dacă aduci în contact două obiecte cu temperaturi diferite, atunci cel rece se va încălzi mereu, iar cel cald se va răci. Rețineți că procesul invers poate avea loc în cadrul primei legi a termodinamicii, dar nu este niciodată implementat în practică.
Motivul ireversibilității acestui proces (și a tuturor proceselor cunoscute din Univers) este trecerea sistemului la o stare mai probabilă. În exemplul considerat cu contactul a două corpuri de temperaturi diferite, cea mai probabilă stare va fi cea în care toate particulele sistemului vor avea aceeași energie cinetică.
A doua lege a termodinamicii poate fi formulată astfel: „Căldura nu poate fi niciodată transferată în mod spontan de la un corp rece la unul fierbinte”. Dacă introducem conceptul de entropie ca măsură a dezordinei, atunci acesta poate fi reprezentat astfel: „Orice proces termodinamic decurge cu o creștere a entropiei”.
Motor termic
Acest termen este înțeles ca un sistem care, datorită furnizării de energie externă a acestuia, poate efectua lucrări mecanice. Primulmotoarele termice erau mașini cu abur și au fost inventate la sfârșitul secolului al XVII-lea.
A doua lege a termodinamicii joacă un rol decisiv în determinarea eficacității acestora. Sadi Carnot a mai stabilit că eficiența maximă a acestui dispozitiv este: Eficiență=(T2 - T1)/T2, aici T2 și T1 sunt temperaturile pentru încălzire și frigider. Lucrările mecanice pot fi efectuate numai atunci când există un flux de căldură de la un corp fierbinte la unul rece, iar acest flux nu poate fi transformat 100% în energie utilă.
Figura de mai jos arată principiul de funcționare a unui motor termic (Qabs - căldura transferată la mașină, Qced - pierderi de căldură, W - lucru util, P și V - presiunea și volumul de gaz în piston).
Zeroul absolut și postulatul lui Nernst
În sfârșit, să trecem la considerarea celei de-a treia legi a termodinamicii. Se mai numește și postulatul Nernst (numele fizicianului german care l-a formulat pentru prima dată la începutul secolului al XX-lea). Legea spune: „Zeroul absolut nu poate fi atins cu un număr finit de procese”. Adică, este imposibil în vreun fel să „înghețe” complet moleculele și atomii unei substanțe. Motivul pentru aceasta este schimbul constant de căldură existent cu mediul.
O concluzie utilă extrasă din a treia lege a termodinamicii este că entropia scade pe măsură ce ne îndreptăm spre zero absolut. Aceasta înseamnă că sistemul tinde să se organizeze singur. Acest fapt poateutilizați, de exemplu, pentru a transfera paramagneții într-o stare feromagnetică atunci când sunt răciți.
Este interesant de observat că cea mai scăzută temperatură care a fost atinsă până acum este 5·10−10 K (2003, laboratorul MIT, SUA).
