Термодинамиката е важен клон на физиката. Спокойно можем да кажем, че неговите постижения са довели до появата на технологичната ера и до голяма степен са определили хода на човешката история през последните 300 години. Статията разглежда първия, втория и третия закон на термодинамиката и тяхното приложение на практика.
Какво е термодинамика?
Преди да формулираме законите на термодинамиката, нека разберем какво прави този раздел от физиката.
Думата "термодинамика" е от гръцки произход и означава "движение поради топлина". Тоест този клон на физиката се занимава с изучаване на всякакви процеси, в резултат на което топлинната енергия се превръща в механично движение и обратно.
Основните закони на термодинамиката са формулирани в средата на 19-ти век. Науката за "движение и топлина" разглежда поведението на цялата система като цяло, изучавайки изменението на нейните макроскопични параметри - температура, налягане и обем, и не обръща внимание на микроскопичната й структура. Освен това първият от тях играе основна роля при формулирането на законитетермодинамика във физиката. Любопитно е да се отбележи, че те са извлечени единствено от експериментални наблюдения.
Концепцията за термодинамична система
Означава всяка група от атоми, молекули или други елементи, които се разглеждат като цяло. И трите закона са формулирани за така наречената термодинамична система. Примери са: земната атмосфера, всеки жив организъм, газовата смес в двигател с вътрешно горене и др.
Всички системи в термодинамиката принадлежат към един от трите типа:
- Отвори. Те обменят както топлина, така и материя с околната среда. Например, ако храната се готви в тенджера на открит огън, тогава това е ярък пример за отворена система, тъй като съдът получава енергия от външната среда (огън), докато самият той излъчва енергия под формата на топлина, и водата също се изпарява от него (метаболизъм).
- Затворено. В такива системи няма обмен на материя с околната среда, въпреки че обменът на енергия се осъществява. Връщайки се към предишния случай: ако покриете чайника с капак, можете да получите затворена система.
- Изолиран. Това е вид термодинамични системи, които не обменят материя или енергия с околното пространство. Пример би бил термос, съдържащ горещ чай.
Термодинамична температура
Тази концепция означава кинетичната енергия на частиците, които образуват околните тела, която отразява скоросттапроизволно движение на частици. Колкото по-голямо е, толкова по-висока е температурата. Съответно, като намаляваме кинетичната енергия на системата, ние я охлаждаме.
Тази концепция означава кинетичната енергия на частиците, които образуват околните тела, която отразява скоростта на хаотичното движение на частиците. Колкото по-голямо е, толкова по-висока е температурата. Съответно, като намаляваме кинетичната енергия на системата, ние я охлаждаме.
Термодинамичната температура се изразява в SI (Международна система от единици) в Келвин (в чест на британския учен Уилям Келвин, който първи предложи тази скала). Разбирането на първия, втория и третия закон на термодинамиката е невъзможно без дефиниция на температурата.
Деление на един градус по скалата на Келвин също отговаря на един градус по Целзий. Преобразуването между тези единици се извършва по формулата: TK =TC + 273, 15, където TK и TC - температури съответно в келвини и градуси по Целзий.
Особеността на скалата на Келвин е, че тя няма отрицателни стойности. Нула в него (TC=-273, 15 oC) съответства на състоянието, когато топлинното движение на частиците на системата отсъства напълно, изглежда, че са "замразени".
Запазване на енергията и 1-ви закон на термодинамиката
През 1824 г. Никола Леонард Сади Карно, френски инженер и физик, прави смело предложение, което не само води до развитието на физиката, но и се превръща в голяма стъпка в подобряването на технологията. Неговитеможе да се формулира по следния начин: "Енергията не може да бъде създадена или унищожена, тя може да бъде прехвърлена само от едно състояние в друго."
Всъщност фразата на Сади Карно постулира закона за запазване на енергията, който е в основата на 1-ви закон на термодинамиката: „Когато една система получава енергия отвън, тя я преобразува в други форми, основната от които са термични и механични."
Математическата формула за 1-ви закон е написана, както следва:
Q=ΔU + A, тук Q е количеството топлина, пренесено от околната среда към системата, ΔU е промяната във вътрешната енергия на тази система, A е перфектната механична работа.
Адиабатни процеси
Добър пример за тях е движението на въздушните маси по планинските склонове. Такива маси са огромни (километри или повече), а въздухът е отличен топлоизолатор. Отбелязаните свойства ни позволяват да считаме всички процеси с въздушни маси, които протичат за кратко време, като адиабатични. Когато въздухът се издига нагоре по склона на планината, налягането му пада, той се разширява, тоест извършва механична работа и в резултат на това се охлажда. Напротив, движението надолу на въздушната маса е придружено от повишаване на налягането в нея, тя се компресира и поради това става много гореща.
Прилагането на закона на термодинамиката, който беше обсъден в предишната подзаглавие, най-лесно се демонстрира с примера на адиабатен процес.
Според дефиницията, в резултат на това няма обмен на енергия ссреда, тоест в уравнението по-горе, Q=0. Това води до следния израз: ΔU=-A. Знакът минус тук означава, че системата извършва механична работа, като намалява собствената си вътрешна енергия. Трябва да се припомни, че вътрешната енергия е пряко зависима от температурата на системата.
Посока на топлинните процеси
Този въпрос се занимава с 2-ри закон на термодинамиката. Със сигурност всички са забелязали, че ако докоснете два предмета с различни температури, тогава студеният винаги ще се нагрява, а горещият ще се охлади. Имайте предвид, че обратният процес може да се случи в рамките на първия закон на термодинамиката, но никога не се прилага на практика.
Причината за необратимостта на този процес (и всички известни процеси във Вселената) е преходът на системата към по-вероятно състояние. В разглеждания пример с контакт на две тела с различни температури, най-вероятното състояние ще бъде това, при което всички частици на системата ще имат еднаква кинетична енергия.
Вторият закон на термодинамиката може да бъде формулиран по следния начин: "Топлината никога не може да бъде прехвърлена спонтанно от студено тяло към горещо." Ако въведем понятието ентропия като мярка за разстройство, то може да бъде представено по следния начин: „Всеки термодинамичен процес протича с увеличаване на ентропията“.
Топлинен двигател
Този термин се разбира като система, която поради подаването на външна енергия към нея може да извършва механична работа. Първотоплинните двигатели са парни машини и са изобретени в края на 17-ти век.
Вторият закон на термодинамиката играе решаваща роля при определянето на тяхната ефективност. Сади Карно също установи, че максималната ефективност на това устройство е: Ефективност=(T2 - T1)/T2, тук T2 и T1 са температури на нагревателя и хладилника. Механичната работа може да се извърши само когато има поток от топлина от горещо тяло към студено и този поток не може да бъде 100% превърнат в полезна енергия.
Фигурата по-долу показва принципа на действие на топлинния двигател (Qabs - топлината, прехвърлена към машината, Qced - загуба на топлина, W - полезна работа, P и V - налягане и обем газ в буталото).
Абсолютна нула и постулат на Нернст
Накрая, нека да преминем към разглеждането на третия закон на термодинамиката. Нарича се още постулат на Нернст (името на немския физик, който го формулира за първи път в началото на 20 век). Законът казва: „Абсолютната нула не може да бъде достигната с краен брой процеси“. Тоест е невъзможно по никакъв начин да се „замразят“напълно молекулите и атомите на дадено вещество. Причината за това е постоянният съществуващ топлообмен с околната среда.
Едно полезно заключение, извлечено от третия закон на термодинамиката е, че ентропията намалява, когато човек се движи към абсолютна нула. Това означава, че системата има тенденция да се организира сама. Този факт можеизползвайте, например, за прехвърляне на парамагнити във феромагнитно състояние при охлаждане.
Интересно е да се отбележи, че най-ниската температура, която е била достигната досега, е 5·10−10 K (2003 г., лаборатория MIT, САЩ).
