ترمودینامیک شاخه مهمی از فیزیک است. به جرات می توان گفت که دستاوردهای آن منجر به ظهور عصر فناوری شده و تا حد زیادی مسیر تاریخ بشر را در 300 سال گذشته تعیین کرده است. این مقاله قوانین اول، دوم و سوم ترمودینامیک و کاربرد آنها را در عمل مورد بحث قرار می دهد.
ترمودینامیک چیست؟
قبل از تدوین قوانین ترمودینامیک، بیایید بفهمیم که این بخش از فیزیک چه می کند.
واژه "ترمودینامیک" ریشه یونانی دارد و به معنای "حرکت ناشی از گرما" است. یعنی این شاخه از فیزیک به مطالعه هر فرآیندی می پردازد که در نتیجه انرژی حرارتی به حرکت مکانیکی تبدیل می شود و بالعکس.
قوانین پایه ترمودینامیک در اواسط قرن نوزدهم تدوین شد. علم "حرکت و گرما" رفتار کل سیستم را به عنوان یک کل در نظر می گیرد و تغییر پارامترهای ماکروسکوپی آن - دما، فشار و حجم را مطالعه می کند و به ساختار میکروسکوپی آن توجه نمی کند. علاوه بر این، اولین آنها نقش اساسی در تدوین قوانین ایفا می کندترمودینامیک در فیزیک جالب است بدانیم که آنها فقط از مشاهدات تجربی مشتق شده اند.
مفهوم یک سیستم ترمودینامیکی
به معنای هر گروه از اتم ها، مولکول ها یا عناصر دیگر است که به عنوان یک کل در نظر گرفته می شود. هر سه قانون برای به اصطلاح سیستم ترمودینامیکی فرموله شده اند. مثالها عبارتند از: جو زمین، هر موجود زنده، مخلوط گاز در یک موتور احتراق داخلی، و غیره.
همه سیستم های ترمودینامیک به یکی از سه نوع تعلق دارند:
- باز. آنها هم گرما و هم ماده را با محیط مبادله می کنند. به عنوان مثال، اگر غذا در یک قابلمه روی آتش باز پخته شود، پس این یک مثال واضح از یک سیستم باز است، زیرا دیگ انرژی را از محیط خارجی (آتش) دریافت می کند، در حالی که خودش انرژی را به شکل گرما ساطع می کند. و آب نیز از آن تبخیر می شود (متابولیسم).
- بسته شد. در چنین سیستم هایی تبادل ماده با محیط صورت نمی گیرد، اگرچه تبادل انرژی صورت می گیرد. به حالت قبلی برگردیم: اگر کتری را با درب بپوشانید، می توانید یک سیستم بسته دریافت کنید.
- منزوی. این یک نوع سیستم ترمودینامیکی است که ماده یا انرژی را با فضای اطراف مبادله نمی کند. یک نمونه قمقمه حاوی چای داغ است.
دمای ترمودینامیکی
این مفهوم به معنای انرژی جنبشی ذرات تشکیل دهنده اجسام اطراف است که سرعت را منعکس می کند.حرکت تصادفی ذرات هر چه بزرگتر باشد، درجه حرارت بالاتر است. بر این اساس با کاهش انرژی جنبشی سیستم آن را خنک می کنیم.
این مفهوم به معنای انرژی جنبشی ذرات تشکیل دهنده اجسام اطراف است که نشان دهنده سرعت حرکت آشفته ذرات است. هر چه بزرگتر باشد، درجه حرارت بالاتر است. بر این اساس با کاهش انرژی جنبشی سیستم آن را خنک می کنیم.
دمای ترمودینامیکی بر حسب SI (سیستم بین المللی واحدها) در کلوین بیان می شود (به افتخار دانشمند بریتانیایی ویلیام کلوین، که برای اولین بار این مقیاس را پیشنهاد کرد). درک قوانین اول، دوم و سوم ترمودینامیک بدون تعریف دما غیر ممکن است.
تقسیم یک درجه در مقیاس کلوین نیز با یک درجه سانتیگراد مطابقت دارد. تبدیل بین این واحدها طبق فرمول انجام می شود: TK =TC + 273, 15، که در آن TK و TC - دما به ترتیب بر حسب کلوین و درجه سانتیگراد.
ویژگی مقیاس کلوین این است که مقادیر منفی ندارد. صفر در آن (TC=-273, 15 oC) مربوط به حالتی است که حرکت حرارتی ذرات سیستم کاملاً وجود ندارد. ، به نظر می رسد "یخ زده" هستند.
پست انرژی و قانون اول ترمودینامیک
در سال 1824، نیکولا لئونارد سادی کارنو، مهندس و فیزیکدان فرانسوی، پیشنهاد جسورانه ای را ارائه کرد که نه تنها منجر به توسعه فیزیک شد، بلکه به گامی بزرگ در پیشرفت فناوری تبدیل شد. خودرا می توان به صورت زیر فرمول بندی کرد: "انرژی را نمی توان ایجاد یا از بین برد، فقط می تواند از یک حالت به حالت دیگر منتقل شود."
در واقع، عبارت سعدی کارنو قانون بقای انرژی را فرض می کند که اساس قانون اول ترمودینامیک را تشکیل می دهد: "هرگاه یک سیستم انرژی را از خارج دریافت کند، آن را به اشکال دیگری تبدیل می کند، که اصلی ترین آن است. که حرارتی و مکانیکی هستند."
فرمول ریاضی قانون اول به صورت زیر نوشته شده است:
Q=ΔU + A،
در اینجا Q مقدار گرمایی است که توسط محیط به سیستم منتقل می شود، ΔU تغییر در انرژی داخلی این سیستم است، A کار مکانیکی کامل است.
فرایندهای آدیاباتیک
یک مثال خوب از آنها حرکت توده های هوا در امتداد دامنه کوه ها است. چنین توده هایی عظیم هستند (کیلومتر یا بیشتر)، و هوا یک عایق حرارت عالی است. ویژگی‌های ذکر شده به ما اجازه می‌دهد تا هر فرآیندی با توده‌های هوا را که در مدت زمان کوتاهی اتفاق می‌افتند به عنوان آدیاباتیک در نظر بگیریم. وقتی هوا از شیب کوه بالا می رود، فشار آن کاهش می یابد، منبسط می شود، یعنی کار مکانیکی انجام می دهد و در نتیجه سرد می شود. برعکس، حرکت توده هوا به سمت پایین با افزایش فشار در آن همراه است، فشرده می شود و به همین دلیل بسیار داغ می شود.
کاربرد قانون ترمودینامیک، که در زیر عنوان قبلی مورد بحث قرار گرفت، به راحتی با استفاده از مثال یک فرآیند آدیاباتیک نشان داده می شود.
طبق تعریف، در نتیجه آن تبادل انرژی بامحیط، یعنی در معادله بالا، Q=0. این منجر به عبارت زیر می شود: ΔU=-A. علامت منفی در اینجا به این معنی است که سیستم با کاهش انرژی داخلی خود کار مکانیکی را انجام می دهد. لازم به یادآوری است که انرژی داخلی به طور مستقیم به دمای سیستم وابسته است.
جهت فرآیندهای حرارتی
این موضوع به قانون دوم ترمودینامیک می پردازد. مطمئناً همه متوجه شده اند که اگر دو جسم با دماهای مختلف را در تماس قرار دهید، آنگاه یک جسم سرد همیشه گرم می شود و یک جسم گرم خنک می شود. توجه داشته باشید که فرآیند معکوس می تواند در چارچوب قانون اول ترمودینامیک رخ دهد، اما هرگز در عمل اجرا نمی شود.
دلیل برگشت ناپذیری این فرآیند (و همه فرآیندهای شناخته شده در جهان) انتقال سیستم به حالت محتمل تر است. در مثال در نظر گرفته شده با تماس دو جسم با دماهای مختلف، محتمل ترین حالت حالتی خواهد بود که در آن تمام ذرات سیستم انرژی جنبشی یکسانی داشته باشند.
قانون دوم ترمودینامیک را می توان به صورت زیر فرموله کرد: "گرما هرگز نمی تواند خود به خود از یک جسم سرد به یک جسم گرم منتقل شود." اگر مفهوم آنتروپی را به عنوان معیار بی نظمی معرفی کنیم، می توان آن را به صورت زیر نشان داد: "هر فرآیند ترمودینامیکی با افزایش آنتروپی پیش می رود".
موتور حرارتی
این اصطلاح به عنوان سیستمی شناخته می شود که به دلیل تامین انرژی خارجی به آن، می تواند کارهای مکانیکی انجام دهد. اولینموتورهای حرارتی موتورهای بخار بودند و در پایان قرن هفدهم اختراع شدند.
قانون دوم ترمودینامیک نقش تعیین کننده ای در تعیین اثربخشی آنها دارد. Sadi Carnot همچنین تعیین کرد که حداکثر بازده این دستگاه عبارت است از: کارایی=(T2 - T1)/T2 ، در اینجا T2 و T1 درجه حرارت بخاری و یخچال هستند. کار مکانیکی فقط زمانی انجام می شود که از یک جسم گرم به یک جسم سرد جریان داشته باشد و این جریان نمی تواند 100٪ به انرژی مفید تبدیل شود.
شکل زیر اصل عملکرد یک موتور حرارتی را نشان می دهد (Qabs - گرمای منتقل شده به دستگاه، Qced - اتلاف حرارت، W - کار مفید، P و V - فشار و حجم گاز در پیستون).
صفر مطلق و اصل نرنست
در آخر، اجازه دهید به بررسی قانون سوم ترمودینامیک بپردازیم. به آن اصل نرنست نیز می گویند (نام فیزیکدان آلمانی که اولین بار در آغاز قرن بیستم آن را فرموله کرد). قانون می گوید: "با تعداد محدودی از فرآیندها نمی توان به صفر مطلق رسید." یعنی به هیچ وجه امکان "یخ زدن" کامل مولکول ها و اتم های یک ماده وجود ندارد. دلیل این امر تبادل حرارتی ثابت با محیط است.
یک نتیجه گیری مفید از قانون سوم ترمودینامیک این است که با حرکت به سمت صفر مطلق، آنتروپی کاهش می یابد. این بدان معنی است که سیستم تمایل دارد خود را سازماندهی کند. این واقعیت می تواندبرای مثال برای انتقال پارامغناطیس ها به حالت فرومغناطیسی در هنگام سرد شدن استفاده کنید.
جالب است بدانید که کمترین دمایی که تاکنون به آن رسیده است 5·10−10 K (2003، آزمایشگاه MIT، ایالات متحده آمریکا) است.
