מהו תהליך תרמודינמי? שאלות נפוצות בנושא פיזיקה

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

ישנם מספר סוגים ספציפיים של תהליכים תרמודינמיים שמתרחשים די בתדירות (ובמצבים מעשיים) שהם מטופלים בדרך כלל במחקר התרמודינמיקה. לכל אחת מהן תכונה ייחודית המזהה אותה, והיא מועילה לניתוח שינויי האנרגיה והעבודה הקשורים לתהליך.

• 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.

אפשר שיהיו מספר תהליכים בתהליך יחיד. הדוגמה הברורה ביותר תהיה מקרה בו נפח ולחץ משתנים, ולא יביא לשינוי בטמפרטורה או בהעברת חום - תהליך כזה יהיה גם אדיאבטי וגם איזותרמי.

במונחים מתמטיים, ה- החוק הראשון של התרמודינמיקה ניתן לכתוב כ:

דלתא- U = ש - W או ש = דלתא- U + W
איפה

• דלתא-U = שינוי המערכת באנרגיה הפנימית
• ש = חום המועבר אל המערכת או מחוצה לה.
• W = עבודה שבוצעה על ידי המערכת או באמצעותה.

בעת ניתוח אחד התהליכים התרמודינמיים המיוחדים שתוארו לעיל, אנו מוצאים לעיתים קרובות (אם כי לא תמיד) תוצאה ברת מזל - אחת מהכמויות הללו מפחית לאפס!

לדוגמה, בתהליך אדיאבטי אין העברת חום, כך ש = 0, וכתוצאה מכך קשר מאוד פשוט בין האנרגיה הפנימית לעבודה: delta-ש = -W. עיין בהגדרות האישיות של תהליכים אלה לקבלת פרטים ספציפיים יותר על המאפיינים הייחודיים שלהם.

מרבית התהליכים התרמודינמיים מתקדמים באופן טבעי מכיוון לכיוון אחר. במילים אחרות, יש להם כיוון מועדף.

החום זורם מחפץ חם יותר לקרור. גזים מתרחבים כדי למלא חדר, אך לא יתכווצו באופן ספונטני למלא חלל קטן יותר. ניתן להמיר אנרגיה מכנית לחלוטין לחום, אך כמעט בלתי אפשרי להמיר חום לחלוטין לאנרגיה מכנית.

עם זאת, מערכות מסוימות עוברות תהליך הפיך. באופן כללי, זה קורה כאשר המערכת קרובה תמיד לשיווי משקל תרמי, גם בתוך המערכת עצמה וגם עם כל סביבה. במקרה זה, שינויים אינסופיים בתנאי המערכת יכולים לגרום לתהליך לעבור לכיוון השני. ככזה, תהליך הפיך ידוע גם כ- תהליך שיווי משקל.

דוגמה 1: שתי מתכות (A & B) נמצאות במגע תרמי ו שיווי משקל תרמי. מתכת A מחוממת בכמות אינסופית, כך שחום זורם ממנה למתכת B. ניתן להפוך את התהליך על ידי קירור A בכמות אינסופית, ובשלב זה החום יתחיל לזרום מ- B ל- A עד שהם שוב יהיו בשיווי משקל תרמי.

דוגמא 2: גז מתרחב לאט ובאופן עדיפטי בתהליך הפיך. על ידי הגברת הלחץ בכמות אינסופי, אותו גז יכול לדחוס לאט ובאדיבטיות חזרה למצב ההתחלתי.

יש לציין כי מדובר בדוגמאות מעט אידיאליות. למטרות מעשיות מערכת שנמצאת בשיווי משקל תרמי מפסיקה להיות בשיווי משקל תרמי ברגע שאחד השינויים הללו יושם... לכן התהליך אינו הפיך לחלוטין. זה מודל אידיאלי כיצד יתרחש מצב כזה, אם כי עם שליטה קפדנית על תנאי הניסוי ניתן לבצע תהליך הקרוב ביותר להפלה מלאה.

רוב התהליכים הם כמובן תהליכים בלתי הפיכים (או תהליכי אי-משקל). השימוש בחיכוך הבלמים שלך עושה עבודה על המכונית שלך הוא תהליך בלתי הפיך. הענקת אוויר מכדור פורח לחדר הוא תהליך בלתי הפיך. הנחת גוש קרח על שביל מלט חם היא תהליך בלתי הפיך.

בסך הכל, תהליכים בלתי הפיכים אלה הם תוצאה של החוק השני של התרמודינמיקה, המוגדר לעתים קרובות במונחים של אנטרופיהאו הפרעה במערכת.

ישנן מספר דרכים לבטא את החוק השני של התרמודינמיקה, אך בעיקרון זה מגביל עד כמה יעיל כל העברת חום יכולה להיות. על פי החוק השני של התרמודינמיקה, חום כלשהו יאבד תמיד בתהליך, וזו הסיבה שלא ניתן יהיה לבצע תהליך הפיך לחלוטין בעולם האמיתי.

אנו מכנים כל מכשיר שהופך חום בחלקו לעבודה או לאנרגיה מכנית א מנוע חום. מנוע חום עושה זאת על ידי העברת חום ממקום למקום, ביצוע עבודות בדרך.

בעזרת תרמודינמיקה ניתן לנתח את יעילות תרמית של מנוע חום, וזה נושא שעוסק ברוב הקורסים בפיזיקה מבוא. להלן כמה מנועי חום שמנותחים לעתים קרובות בקורסי פיזיקה:

• מנוע בעירה פנימית - מנוע המונע על ידי דלק כמו אלו המשמשים לרכבים. "מחזור אוטו" מגדיר את התהליך התרמודינמי של מנוע בנזין רגיל. "מחזור הדיזל" מתייחס למנועים המופעלים על דיזל.
• מקרר - מנוע חום הפוך, המקרר לוקח חום ממקום קר (בתוך המקרר) ומעביר אותו למקום חם (מחוץ למקרר).
• משאבת חום - משאבת חום היא סוג של מנוע חום, בדומה למקרר, המשמש לחימום מבנים על ידי קירור האוויר החיצוני.

בשנת 1924 יצר המהנדס הצרפתי סאדי קרנו מנוע אידיאלי, היפותטי, בעל היעילות המרבית האפשרית התואמת את החוק השני של התרמודינמיקה. הוא הגיע למשוואה הבאה ליעילותו, ה_קרנו:

ה_קרנו = ( ט_ח - ט_ג) / ט_ח

ט_ח ו ט_ג הן הטמפרטורות של המאגרים החמים והקרים, בהתאמה. עם הפרש טמפרטורה גדול מאוד, אתה מקבל יעילות גבוהה. יעילות נמוכה מגיעה אם ההבדל בטמפרטורה נמוך. אתה מקבל יעילות של 1 (100% יעילות) אם ט_ג = 0 (כלומר ערך מוחלט) וזה בלתי אפשרי.