סקירה כללית של תרמודינמיקה ומושגים בסיסיים

תרמודינמיקה היא תחום הפיזיקה העוסק בקשר שבין חום ותכונות אחרות (כגון לחץ, צפיפות, טמפרטורהוכו ') בחומר.

באופן ספציפי, התרמודינמיקה מתמקדת במידה רבה באופן שבו העברת חום קשורה לשינויי אנרגיה שונים במערכת פיזית העוברת תהליך תרמודינמי. תהליכים כאלה בדרך כלל מסתיימים עבודה נעשית על ידי המערכת ומונחית על ידי חוקי התרמודינמיקה.

באופן כללי, החום של חומר מובן כמייצג את האנרגיה הכלולה בחלקיקים של אותו חומר. זה ידוע בשם תיאוריה קינטית של גזים, למרות שהמושג חל בדרגות שונות גם על מוצקים ונוזלים. החום מהתנועה של חלקיקים אלה יכול להעביר לחלקיקים סמוכים, ולכן לחלקים אחרים של החומר או לחומרים אחרים, באמצעות מגוון אמצעים:

• מגע תרמי כאשר שני חומרים יכולים להשפיע זה על הטמפרטורה של זה.
• שיווי משקל תרמי זה כאשר שני חומרים במגע תרמי כבר לא מעבירים חום.
• התפשטות תרמית מתרחש כאשר חומר מתרחב בנפח כשהוא מביא חום. התכווצות תרמית קיימת גם כן.
• הולכה כאשר החום זורם דרך מוצק מחומם.
• הולכת חום זה כאשר חלקיקים מחוממים מעבירים חום לחומר אחר, כמו לבשל משהו במים רותחים.
• קרינה הוא כאשר החום מועבר דרך גלים אלקטרומגנטיים, למשל מהשמש.
• בידוד כאשר משתמשים בחומר מוליך נמוך למניעת העברת חום.

מערכת עוברת א תהליך תרמודינמי כאשר יש שינוי כלשהו באנרגיה במערכת, בדרך כלל קשור לשינויים בלחץ, נפח, אנרגיה פנימית (כלומר טמפרטורה), או כל סוג של העברת חום.

ישנם מספר סוגים ספציפיים של תהליכים תרמודינמיים בעלי תכונות מיוחדות:

• תהליך אדיאבטי - תהליך ללא העברת חום למערכת או החוצה ממנה.
• תהליך איזוכורי - תהליך ללא שינוי נפח, ובמקרה זה המערכת אינה פועלת.
• תהליך איזוברי - תהליך ללא שינוי לחץ.
• תהליך איזותרמי - תהליך ללא שינוי בטמפרטורה.

מצב של חומר הוא תיאור של סוג המבנה הפיזי שחומר חומרי בא לידי ביטוי, עם תכונות המתארות את אופן החיבור של החומר או לא. יש חמישה מצבי הענייןלמרות שרק השלושה הראשונים מהם נכללים בדרך כלל בדרך שבה אנו חושבים על מצבי עניין:

• גז
• נוזל
• מוצק
• פלזמה
• מיותר (כגון א בונד-איינשטיין עיבוי)

חומרים רבים יכולים לעבור בין שלבי החומר הגזים, הנוזלים והמוצקים, בעוד שידוע כי רק מעט חומרים נדירים מסוגלים להיכנס למצב מיותר. הפלזמה היא מצב מובחן של חומר, כמו ברק

• עיבוי - גז לנוזל
• הקפאה - נוזל עד מוצק
• נמס - מוצק לנוזל
• סובלימציה - מוצק לגז
• אידוי - נוזל או מוצק לגז

קיבולת החום, ג, של אובייקט הוא היחס בין שינוי בחום (שינוי אנרגיה, Δש, שם הסמל היווני דלתא, Δ, מציין שינוי בכמות) לשינוי בטמפרטורה (Δט).

ג = Δ ש / Δ ט

יכולת החום של חומר מציינת את הקלות שבה חומר מתחמם. א מוליך תרמי טוב יהיה א קיבולת חום נמוכהמה שמצביע על כך שכמות קטנה של אנרגיה גורמת לשינוי גדול בטמפרטורה. מבודד תרמי טוב יהיה בעל קיבולת חום גדולה, מה שמעיד על העברת אנרגיה רבה לצורך שינוי טמפרטורה.

ישנם שונים משוואות גז אידיאליות הקשורים לטמפרטורה (ט₁), לחץ (ע₁) ונפח (V₁). ערכים אלה לאחר שינוי תרמודינמי מסומנים על ידי (ט₂), (ע₂), ו (V₂). עבור כמות נתונה של חומר, n (נמדד בשומות), היחסים הבאים קשורים:

חוק בויל ( ט הוא קבוע):
ע₁V₁ = ע₂V₂
חוק צ'ארלס / גיי-לוצק (ע הוא קבוע):
V₁/ט₁ = V₂/ט₂
חוק הגז האידיאלי:
ע₁V₁/ט₁ = ע₂V₂/ט₂ = nR

ר האם ה קבוע גז אידיאלי, ר = 8.3145 J / mol * K. לפיכך, לכמות נתונה של חומר, nR הוא קבוע, שנותן את חוק הגז האידיאלי.

• אפס חוק התרמודינמיקה - שתי מערכות כל אחת בשיווי משקל תרמי עם מערכת שלישית נמצאות בשיווי משקל תרמי אחת לשנייה.
• החוק הראשון של התרמודינמיקה - השינוי באנרגיה של מערכת הוא כמות האנרגיה שנוספת למערכת מינוס האנרגיה שבזבזת בעבודה.
• החוק השני של התרמודינמיקה - אי אפשר שלתהליך תהיה התוצאה היחידה להעברת החום מגוף קריר יותר לחם.
• החוק השלישי של התרמודינמיקה - אי אפשר להפחית מערכת כלשהי לאפס מוחלט בסדרת פעולות סופית. המשמעות היא שלא ניתן ליצור מנוע חום יעיל לחלוטין.

ניתן לשנות מחדש את החוק השני של התרמודינמיקה כדי לדבר עליו אנטרופיה, שהיא מדידה כמותית של ההפרעה במערכת. שינוי החום מחולק על ידי טמפרטורה מוחלטת האם ה שינוי אנטרופיה של התהליך. מוגדר באופן זה, ניתן לשנות את החוק השני כ:

בכל מערכת סגורה, האנטרופיה של המערכת תישאר קבועה או תגבר.

על ידי "מערכת סגורה" זה אומר ש כל חלק מהתהליך נכלל בחישוב האנטרופיה של המערכת.

במובנים מסוימים, התייחסות לתרמודינמיקה כמשמעת מובחנת של הפיזיקה אינה מטעה. התרמודינמיקה נוגעת כמעט בכל תחום בפיזיקה, מאסטרופיזיקה לביו-פיזיקה, מכיוון שכולם מתמודדים בצורה מסוימת עם שינוי האנרגיה במערכת. ללא היכולת של מערכת להשתמש באנרגיה בתוך המערכת לבצע עבודה - לבה של התרמודינמיקה - לא היה שום דבר לפיזיקאים ללמוד.

עם זאת, ישנם תחומים שמשתמשים בתרמודינמיקה בזמן שהם עוברים על לימודים אחרים תופעות, בעוד שיש מגוון רחב של תחומים המתמקדים מאוד במצבי התרמודינמיקה מעורב. להלן כמה משדות המשנה של התרמודינמיקה:

• קריופיזיקה / קריוגניקה / פיזיקה בטמפרטורה נמוכה - המחקר של תכונות גשמיות במצבים בטמפרטורה נמוכה, הרבה מתחת לטמפרטורות שחווים אפילו באזורים הקרים ביותר בכדור הארץ. דוגמא לכך היא לימוד של נוזלים מיותרים.
• דינמיקה של נוזלים / מכניקת נוזלים - המחקר של התכונות הפיזיות של "נוזלים", המוגדר באופן ספציפי במקרה זה כנוזלים וגזים.
• פיזיקה בלחץ גבוה - ה לימוד פיזיקה במערכות לחץ גבוה במיוחד, הקשורות בדרך כלל לדינמיקת נוזלים.
• מטאורולוגיה / פיזיקת מזג אוויר - הפיזיקה של מזג האוויר, מערכות לחץ באטמוספירה וכו '.
• פיזיקת פלזמה - חקר החומר במצב הפלזמה.