Термодинамика: определение, основни понятия и клонове
Термодинамиката е дял от физиката, който изучава връзките между топлина, температура и енергия. В термодинамиката често се използва дял от математиката, наречен статистика, за да се разгледа движението на частиците. Тя свързва микроскопичните свойства на отделните частици със сумарното поведение на макроскопичните системи и дава математични средства за превръщането и трансфера на енергия.
Термодинамиката е полезна, защото ни помага да разберем как светът на много малките атоми се свързва с мащабния свят, който виждаме всеки ден. Тя описва явления като нагряване и охлаждане, топлинни машини (двигатели и хладилници), фазови преходи (топене, изпаряване), химични реакции и устойчивост на структури при различни температури и налягане.
Основни понятия
В центъра на термодинамиката стои понятието "термодинамична система" — част от природата, която изследваме, отделена от останалата част (обкръжаване) чрез граници. Системите могат да бъдат:
- отворени (обменят маса и енергия с околната среда),
- затворени (обменят енергия, но не и маса),
- изолирани (не обменят нито енергия, нито маса).
Състоянието на системата се характеризира чрез променливи за състоянието (или състояни места) — като температура, налягане, обем, вътрешна енергия и химични потенциали. Някои от тези величини са екстензивни (зависят от размера на системата) и други — интензивни (не зависят от размера).
Пример за термодинамична система е тухла. Тухлата е съставена от много атоми, които имат свои собствени свойства. Всички термодинамични системи имат два вида свойства - екстензивни и интензивни. За тухлата екстензивните свойства са тези, които се получават, като се съберат всички атоми. Неща като обем, енергия, маса и заряд са екстензивни, защото две от една и съща тухла, събрани заедно, имат два пъти по-голяма маса от една тухла. Интензивните свойства на тухлата са тези, които получавате, като разглеждате средната стойност на всички атоми. Неща като температура, налягане и плътност са интензивни, защото две от една и съща тухличка все още имат същата температура, както една самостоятелна тухличка.
Закони на термодинамиката
- Нулев закон: Ако система A е в равновесие с система B, и B е в равновесие с C, тогава A е в равновесие с C. Този закон дефинира температурата като свойство, което е еднакво за системи в топлинно равновесие.
- Първи закон (закон за запазване на енергията): Промените във вътрешната енергия на системата ΔU са равни на сумата от топлината Q, подадена в системата, и работата W, извършена върху нея: ΔU = Q + W. Този закон свързва топлина и механична работа с вътрешната енергия.
- Втори закон: В изолирана система ентропията S не намалява; в реалните процеси ентропията или остава същата (за обратими процеси), или се увеличава (за необратими процеси). Този закон дава посока на естествените процеси и ограничава преобразуването на топлина в полезна работа.
- Трети закон: При достигане на абсолютната нула (0 K) ентропията на идеален кристал стреми към константа (често нула). Този закон определя поведението на ентропията при много ниски температури.
Работа, топлина и пътища на процеси
Топлината (Q) и работата (W) са форми на енергиен пренос и не са свойства на системата, а зависят от пътя на процеса. Обратно, вътрешната енергия (U) и ентропията (S) са функции на състоянието — дават същата стойност независимо от начина, по който системата е достигнала това състояние.
Различни типове процеси: изотермичен (постоянна температура), изобарен (постоянно налягане), изохорен (постоянен обем), адiabатен (без топлообмен). Понятията "квазистатичен" и "обратно възвратим" описват идеализирани процеси, които преминават през серия от равновесни състояния и могат да бъдат обърнати без загуба на ентропия.
Ентропия и статистическо значение
Ентропията често се тълкува като мярка за броя на микроскопичните начини (микросъстояния), по които дадена макроскопична конфигурация може да бъде реализирана. В статистическата термодинамика ентропията S е свързана с броя на микросъстоянията W чрез формула на Болцман: S = k_B ln W (където k_B е константата на Болцман). Това дава връзка между микроскопичните движения на частици и макроскопичните термодинамични величини.
Термодинамични потенциали
За изучаване на равновесието и равновесните условия се използват термодинамични потенциали: вътрешна енергия U, енталпия H = U + pV, свободна енергия на Хелмхолц F = U − TS и свободна енергия на Гибс G = H − TS. Тези функции имат естествени независими променливи и помагат да се определи какъв процес ще бъде спонтанен при дадени условия (например при постоянно T и p спонтанните процеси намаляват G).
Клонове на термодинамиката и приложения
Термодинамиката има два основни клона, наречени класическа термодинамика и статистическа термодинамика. Класическата се занимава с макроскопични величини и закони, докато статистическата осигурява микроскопската основа за тези закони чрез вероятностни модели на частиците.
Приложенията са широки: инженерните науки (термодинамичен анализ на двигатели и енергийни цикли), химията (термохимия, спонтанност на реакции), материалознанието (фазови диаграми), климатологията, биофизика и нанотехнологии.
Примери и интуиция
- Топлинен двигател (например парна машина или двигател с вътрешно горене) преобразува топлина в механична работа, но според втория закон не може да превърне цялата постъпила топлина в работа — винаги има загуба, свързана с увеличението на ентропията.
- Хладилникът и термопомпата пренасят топлина от по-студен към по-топъл обект, като се изразходва работа.
- Фазови преходи: при топене или изпаряване енергия се поглъща без промяна на температурата (латентна топлина), а при смяна на фазата системата променя структурната си ентропия.
Мерни единици и експерименти
Енергията и топлината се измерват в джаули (J) в SI системата, температурата в келвини (K), налягането в паскали (Pa). Експерименталните методи включват калориметрия, експерименти с газове (например законът на Бойд-Мариот за идеалния газ), диференциална сканираща калориметрия за анализ на фазови преходи и спектроскопски методи за изследване на микроскопични състояния.
Кратко обобщение
Термодинамиката е фундаментален набор от принципи, които описват как енергията се съхранява, трансформира и разпределя в природата. Тя свързва микроскопичната статистика на частиците със съвкупното поведение на макроскопичните системи и разкрива универсални закономерности, приложими в много научни и инженерни области.
Закони на термодинамиката
Съществуват четири закона на термодинамиката, които определят как енергията може да се пренася между два обекта под формата на топлина. Законите на термодинамиката посочват как се променя енергията в една система и дали системата може да работи добре със заобикалящата я среда.
- Нулев закон на термодинамиката
Ако две системи имат еднакъв топлинен поток напред-назад и една от двете системи има еднакъв топлинен поток напред-назад с друга система, то и трите системи имат еднакъв топлинен поток помежду си.
Увеличаването на енергията в една система е равно на енергията, отдадена на системата под формата на топлина или работа. Енергията не може да бъде създадена или унищожена, а само променена. Количеството енергия, което се отдава на дадена система, е същото количество енергия, което се отнема от околната среда.
При двойка допиращи се системи с различни температури топлината ще преминава от горещо към студено, докато температурата на системите се изравни.
- Трети закон на термодинамиката
Когато температурата на една система е 0 келвина, абсолютната нула (най-ниската температура), ентропията (енергията, която не може да се използва за извършване на работа) е равна на 0.
Използване на термодинамиката
По-рано термодинамиката е била изучавана, за да се подобри работата на парните машини. Сега идеите на термодинамиката се използват във всичко - от производството на двигатели до изучаването на черните дупки.
Учените използват термодинамиката по много причини. Една от тях е да се правят по-добри двигатели и хладилници. Друга цел е да разберат свойствата на материалите, използвани в ежедневието, за да могат да ги направят по-здрави в бъдеще. Термодинамиката се използва и в химията, за да се обясни кои реакции ще проработят и кои не (това изследване е известно като химична кинетика). Термодинамиката е мощна, защото простите модели за атоми работят добре при обяснението на свойствата на големи системи като тухлите.
Свързани страници
| Контрол от страна на органа: Национални библиотеки |
|
Въпроси и отговори
В: Какво представлява термодинамиката?
О: Термодинамиката е дял от физиката, който изучава връзките между топлината, температурата и енергията.
В: Как се използва математиката в термодинамиката?
О: Математиката, по-специално статистиката, често се използва в термодинамиката, за да се разгледа движението на частиците.
В: Какви са някои приложения на термодинамиката?
О: Термодинамиката ни помага да разберем как светът на много малките атоми се свързва с мащабния свят, който виждаме всеки ден. Тя също така има два основни клона, наречени класическа термодинамика и статистическа термодинамика.
Въпрос: Какъв е примерът за термодинамична система?
О: Пример за термодинамична система е тухла, която се състои от много атоми със свои собствени свойства.
В: Какво представляват обширните свойства?
О: Екстензивните свойства са тези, които се получават, като се съберат всички атоми, като например обем, енергия, маса и заряд, защото две еднакви тухли, събрани заедно, имат два пъти по-голяма маса от една тухла.
В: Какво представляват интензивните свойства?
О: Интензивните свойства са тези, които получавате, като разглеждате средната стойност за всички атоми, като например температура, налягане и плътност, защото две от една и съща тухла все още имат същата температура като една тухла.
