Termodinamika: definicija, osnovni principi in termodinamični sistemi
Termodinamika: jasna definicija, osnovni principi in razlaga termodinamičnih sistemov, zakonov ter intenzivnih/ekstenzivnih lastnosti z razumljivimi primeri.
Termodinamika je veja fizike, ki preučuje pretoke toplote, pretvorbe energije in delo pri makroskopskih sistemih. Ukvarja se s tem, kako energija prehaja med telesi in se spreminja v različnih oblikah, ter z zakonitostmi, ki opisujejo spremembe tlaka, prostornine in drugih makroskopskih količin. V opisu teh pojavov se pogosto uporablja veja matematike, imenovana statistika, ki preučuje gibanje delcev in povezuje mikroskopsko vedenje delcev z opazovanimi makroskopskimi lastnostmi.
Termodinamika omogoča razumeti, kako se svet zelo majhnih atomov in molekul povezuje s svetom velikih zadev, ki jih opazimo v vsakdanjem življenju — od delovanja motorjev do kuhanja hrane in delovanja bioloških sistemov.
Termodinamika ima dve glavni veji: klasično termodinamiko, ki se ukvarja z makroskopskimi spremenljivkami in zakoni, ter statistična termodinamika, ki daje mikroskopsko razlago termodinamičnih količin in pravil (na primer entropije). Pomemben koncept v termodinamiki je termodinamični sistem — določena množica snovi ali teles, ki jih obravnavamo ločeno od okolice.
Termodinamični sistemi in lastnosti
Termodinamični sistem je lahko zelo različen: plin v valju, kozarec toplega čaja, opeka ali celo Zemljina atmosfera. Sistemi se glede na izmenjavo snovi in energije z okolico delijo na:
- izoliran sistem — ne izmenjuje ne energije ne snovi z okolico;
- zaprti sistem — izmenjuje energijo (toploto ali delo), ne izmenjuje pa snovi;
- odprt sistem — izmenjuje tako energijo kot snov z okolico.
Vsi termodinamični sistemi imajo dve vrsti makroskopskih lastnosti: ekstenzivne in intenzivne. Ekstenzivne lastnosti so odvisne od količine snovi (na primer prostornina, energija, masa in naboj, kjer se seštevek dveh enakih teles poveča dvakrat), medtem ko so intenzivne lastnosti neodvisne od velikosti sistema (na primer temperatura, tlak in gostota, ki ostanejo enake za dve enaki opeki).
Osnovni principi (zakoni) termodinamike
- 0. zakon (Zeroth law): Če sta sistem A in B v toplotnem ravnotežju s sistemom C, sta A in B v toplotnem ravnotežju med sabo. Ta zakon utemeljuje pojem temperature kot osnovne intenzivne količine.
- 1. zakon (o ohranitvi energije): Energija se ne more ustvariti ali uničiti, lahko se le preoblikuje. V zaprtih sistemih se sprememba notranje energije ΔU sistema pove s toploto Q, ki se doda sistemu, in delom W, ki ga sistem opravi: ΔU = Q − W.
- 2. zakon: V izoliranem sistemu entropija običajno raste ali ostaja konstantna v idealno reverzibilnih procesih; naravni procesi so v splošnem nereverzibilni. Drugi zakon določa smer procesov in pogojuje učinkovitost toplotnih strojev (npr. Čarnotov krog).
- 3. zakon: Pri približevanju absolutni ničli (T → 0 K) se entropija popolnega idealnega kristala približuje konstantni vrednosti (pogosto enačimo z ničlo). Ta zakon omejuje dosegljive temperaturne meje in lastnosti snovi pri zelo nizkih temperaturah.
Stanje, poti in procesi
Stanje sistema opišemo z nekaterimi termodinamičnimi spremenljivkami (stanje funkcije), kot so temperatura, tlak, prostornina in notranja energija. Nekatere količine so odvisne le od končnega in začetnega stanja (npr. notranja energija, entropija) — temu rečemo funkcije stanja — medtem ko so druge odvisne od poti (npr. delo, toplota).
Pogosti idealizirani procesi, ki se jih uporablja za analizo, so:
- izotermni (T = const),
- adiabatski (brez izmenjave toplote),
- izobarski (p = const),
- izohorni (V = const).
Statistični pogled
Statistična termodinamika pove makroskopske količine z mikroskopskim številom načinov ureditve delcev (mikrostanj). Entropija je v tej razlagi merilo števila mikrostanj in jo Boltzmann poveže s formulom S = k ln W (k je Boltzmannova konstanta, W število mikrostanj). Ta pristop pojasni temperaturo, entropijo in druge pojme kot posledico statističnih lastnosti velikega števila delcev.
Praktične aplikacije
Termodinamika je temelj za razumevanje in načrtovanje toplotnih strojev (motorji, turbine), hladilnih naprav, kemijskih procesov, obnašanja materialov pri različnih temperaturah, bioloških metabolnih poti in celo za razlago nekaterih pojavov v astrofiziki in klimatskih modelih.
Primeri
Tipičen termodinamični primer je plin v batnem valju (uporablja se za prikaz izoterme, adiabatike, dela in toplote). Kot konkreten primer materiala je opeka: sestavljena je iz veliko atomov, pri čemer so njene ekstenzivne lastnosti vsota prispevkov atomov, intenzivne pa povprečne lastnosti atomov (to je bil naveden primer z lastnostmi kot so prostornina, energija, masa, naboj, ter temperatura, tlak in gostota).
Za nadaljnje branje se lahko poglobite v klasične pojme termodinamike in v statistične razlage, ki povežejo makroskopske zakone z vedenjem posameznih delcev.
Zakoni termodinamike
Obstajajo štirje zakoni termodinamike, ki določajo, kako se lahko energija v obliki toplote prenaša med dvema objektoma.
- Zerotov zakon termodinamike
Če imata dva sistema enak pretok toplote naprej in nazaj in če ima eden od obeh sistemov enak pretok toplote naprej in nazaj z drugim sistemom, imajo vsi trije sistemi med seboj enak pretok toplote.
Povečanje energije v sistemu je enako energiji, ki jo sistem dobi v obliki toplote ali dela. Energije ni mogoče ustvariti ali uničiti, lahko jo le spremenimo. Količina energije, ki jo sistem dobi, je enaka količini energije, ki jo dobi iz okolice.
Če se dotikata dva sistema z različnimi temperaturami, bo toplota tekla od vročega k hladnemu, dokler se temperature sistemov ne izenačijo.
- Tretji zakon termodinamike
Ko ima sistem temperaturo 0 kelvinov, absolutno ničlo (najnižja temperatura), je entropija (energija, ki je ni mogoče uporabiti za delo) enaka 0.
Uporaba termodinamike
Pred tem so preučevali termodinamiko, da bi izboljšali delovanje parnih strojev. Zdaj se zamisli iz termodinamike uporabljajo pri vsem, od izdelave motorjev do preučevanja črnih lukenj.
Znanstveniki uporabljajo termodinamiko iz številnih razlogov. Eden od njih je izdelava boljših motorjev in hladilnikov. Drugi namen je razumevanje lastnosti vsakdanjih materialov, da bi jih lahko v prihodnosti naredili močnejše. Termodinamiko uporabljamo tudi v kemiji, da pojasnimo, katere reakcije bodo delovale in katere ne (ta študija je znana kot kemijska kinetika). Termodinamika je močna, ker preprosti modeli za atome dobro delujejo pri pojasnjevanju lastnosti velikih sistemov, kot so opeke.
Sorodne strani
Vprašanja in odgovori
V: Kaj je termodinamika?
O: Termodinamika je veja fizike, ki preučuje odnose med toploto, temperaturo in energijo.
V: Kako se v termodinamiki uporablja matematika?
O: V termodinamiki se pogosto uporablja matematika, zlasti statistika, za preučevanje gibanja delcev.
V: Kateri so nekateri načini uporabe termodinamike?
O: Termodinamika nam pomaga razumeti, kako se svet zelo majhnih atomov povezuje z velikim svetom, ki ga vidimo vsak dan. Ima dve glavni veji, ki se imenujeta klasična termodinamika in statistična termodinamika.
V: Kaj je primer termodinamičnega sistema?
O: Primer termodinamičnega sistema je opeka, ki je sestavljena iz številnih atomov s svojimi lastnostmi.
V: Kaj so obsežne lastnosti?
O: Ekstenzivne lastnosti so tiste, ki jih dobimo, če seštejemo vse atome, kot so prostornina, energija, masa in naboj, saj imata dve isti opeki skupaj dvakrat večjo maso kot ena opeka.
V: Kaj so intenzivne lastnosti?
O: Intenzivne lastnosti so tiste, ki jih dobimo s povprečjem vseh atomov, kot so temperatura, tlak in gostota, saj imata dve enaki opeki še vedno enako temperaturo kot ena sama opeka.
Iskati