Ang
Thermodynamics ay isang mahalagang sangay ng pisika. Masasabi nating ligtas na ang mga nagawa nito ay humantong sa paglitaw ng panahon ng teknolohiya at higit na natukoy ang takbo ng kasaysayan ng tao sa nakalipas na 300 taon. Tinatalakay ng artikulo ang una, ikalawa at pangatlong batas ng thermodynamics at ang kanilang aplikasyon sa pagsasanay.
Ano ang thermodynamics?
Bago bumalangkas ng mga batas ng thermodynamics, alamin natin kung ano ang ginagawa ng seksyong ito ng physics.
Ang salitang "thermodynamics" ay nagmula sa Greek at nangangahulugang "paggalaw dahil sa init". Iyon ay, ang sangay ng pisika na ito ay nakikibahagi sa pag-aaral ng anumang mga proseso, bilang isang resulta kung saan ang thermal energy ay na-convert sa mekanikal na paggalaw at vice versa.
Ang mga pangunahing batas ng thermodynamics ay nabuo noong kalagitnaan ng ika-19 na siglo. Isinasaalang-alang ng agham ng "paggalaw at init" ang pag-uugali ng buong sistema sa kabuuan, pag-aaral ng pagbabago sa mga macroscopic na parameter nito - temperatura, presyon at dami, at hindi binibigyang pansin ang mikroskopikong istraktura nito. Bukod dito, ang una sa kanila ay gumaganap ng isang pangunahing papel sa pagbabalangkas ng mga batasthermodynamics sa pisika. Nakakagulat na tandaan na ang mga ito ay hinango lamang mula sa mga eksperimentong obserbasyon.
Ang konsepto ng thermodynamic system
Ito ay nangangahulugan ng anumang pangkat ng mga atom, molekula o iba pang elemento na itinuturing sa kabuuan. Ang lahat ng tatlong batas ay binuo para sa tinatawag na thermodynamic system. Ang mga halimbawa ay: ang kapaligiran ng Earth, anumang buhay na organismo, ang pinaghalong gas sa isang internal combustion engine, atbp.
Lahat ng system sa thermodynamics ay nabibilang sa isa sa tatlong uri:
- Buksan. Ipinagpapalit nila ang parehong init at bagay sa kapaligiran. Halimbawa, kung ang pagkain ay niluto sa isang palayok sa isang bukas na apoy, kung gayon ito ay isang matingkad na halimbawa ng isang bukas na sistema, dahil ang palayok ay tumatanggap ng enerhiya mula sa panlabas na kapaligiran (apoy), habang ito mismo ay nagpapalabas ng enerhiya sa anyo ng init, at ang tubig ay sumingaw din mula rito (metabolismo).
- Sarado. Sa ganitong mga sistema ay walang pagpapalitan ng bagay sa kapaligiran, kahit na ang pagpapalitan ng enerhiya ay nangyayari. Bumabalik sa nakaraang case: kung tatakpan mo ang kettle ng takip, maaari kang makakuha ng closed system.
- Nakahiwalay. Ito ay isang uri ng thermodynamic system na hindi nagpapalitan ng bagay o enerhiya sa nakapalibot na espasyo. Ang isang halimbawa ay isang termos na naglalaman ng mainit na tsaa.
Thermodynamic temperature
Ang konseptong ito ay nangangahulugan ng kinetic energy ng mga particle na bumubuo sa nakapalibot na katawan, na sumasalamin sa bilisrandom na paggalaw ng mga particle. Kung mas malaki ito, mas mataas ang temperatura. Alinsunod dito, sa pamamagitan ng pagbabawas ng kinetic energy ng system, pinapalamig namin ito.
Ang konseptong ito ay nangangahulugan ng kinetic energy ng mga particle na bumubuo sa nakapalibot na katawan, na sumasalamin sa bilis ng magulong paggalaw ng mga particle. Kung mas malaki ito, mas mataas ang temperatura. Alinsunod dito, sa pamamagitan ng pagbabawas ng kinetic energy ng system, pinapalamig namin ito.
Ang
Thermodynamic temperature ay ipinahayag sa SI (International System of Units) sa Kelvin (bilang parangal sa British scientist na si William Kelvin, na unang nagmungkahi ng sukat na ito). Ang pag-unawa sa una, pangalawa at pangatlong batas ng thermodynamics ay imposible nang walang kahulugan ng temperatura.
Ang dibisyon ng isang degree sa Kelvin scale ay tumutugma din sa isang degree Celsius. Ang conversion sa pagitan ng mga unit na ito ay isinasagawa ayon sa formula: TK =TC + 273, 15, kung saan TK at TC - mga temperatura sa kelvin at degrees Celsius ayon sa pagkakabanggit.
Ang kakaiba ng sukat ng Kelvin ay wala itong mga negatibong halaga. Zero sa loob nito (TC=-273, 15 oC) ay tumutugma sa estado kapag ang thermal motion ng mga particle ng system ay ganap na wala, mukhang "frozen" ang mga ito.
Conservation of energy at ang 1st law of thermodynamics
Noong 1824, si Nicolas Léonard Sadi Carnot, isang French engineer at physicist, ay gumawa ng isang matapang na mungkahi na hindi lamang humantong sa pag-unlad ng pisika, ngunit naging isang pangunahing hakbang sa pagpapabuti ng teknolohiya. Ang kanyangay maaaring bumalangkas tulad ng sumusunod: "Ang enerhiya ay hindi maaaring likhain o sirain, maaari lamang itong ilipat mula sa isang estado patungo sa isa pa."
Sa katunayan, ang parirala ni Sadi Carnot ay nagpopostulate ng batas ng konserbasyon ng enerhiya, na naging batayan ng unang batas ng thermodynamics: "Sa tuwing ang isang sistema ay tumatanggap ng enerhiya mula sa labas, ito ay nagko-convert nito sa iba pang mga anyo, ang pangunahing ng na thermal at mekanikal."
Ang mathematical formula para sa unang batas ay nakasulat tulad ng sumusunod:
Q=ΔU + A, dito ang Q ay ang dami ng init na inililipat ng kapaligiran sa system, ang ΔU ay ang pagbabago sa panloob na enerhiya ng system na ito, ang A ay ang perpektong gawaing mekanikal.
Adiabatic na proseso
Ang isang magandang halimbawa sa kanila ay ang paggalaw ng masa ng hangin sa mga dalisdis ng bundok. Ang ganitong mga masa ay napakalaki (kilometro o higit pa), at ang hangin ay isang mahusay na insulator ng init. Ang mga nabanggit na katangian ay nagpapahintulot sa amin na isaalang-alang ang anumang mga proseso na may mga masa ng hangin na nangyayari sa loob ng maikling panahon bilang adiabatic. Kapag ang hangin ay tumaas sa isang dalisdis ng bundok, ang presyon nito ay bumababa, ito ay lumalawak, iyon ay, ito ay nagsasagawa ng mekanikal na gawain, at, bilang isang resulta, ito ay lumalamig. Sa kabaligtaran, ang pababang paggalaw ng masa ng hangin ay sinamahan ng pagtaas ng presyon sa loob nito, ito ay pumipilit at, dahil dito, nagiging napakainit.
Ang aplikasyon ng batas ng thermodynamics, na tinalakay sa nakaraang subheading, ay pinakamadaling maipakita gamit ang halimbawa ng proseso ng adiabatic.
Ayon sa kahulugan, bilang resulta nito ay walang pagpapalitan ng enerhiya sakapaligiran, iyon ay, sa equation sa itaas, Q=0. Ito ay humahantong sa sumusunod na expression: ΔU=-A. Ang minus sign dito ay nangangahulugan na ang sistema ay nagsasagawa ng mekanikal na gawain sa pamamagitan ng pagbabawas ng sarili nitong panloob na enerhiya. Dapat alalahanin na ang panloob na enerhiya ay direktang nakadepende sa temperatura ng system.
Direksyon ng mga thermal na proseso
Ang isyung ito ay tumatalakay sa 2nd law ng thermodynamics. Tiyak na napansin ng lahat na kung magdadala ka ng dalawang bagay na may magkaibang temperatura sa pakikipag-ugnay, kung gayon ang malamig ay palaging magpapainit, at ang mainit ay lalamig. Tandaan na ang baligtad na proseso ay maaaring mangyari sa loob ng balangkas ng unang batas ng thermodynamics, ngunit hindi ito kailanman ipinatupad sa pagsasanay.
Ang dahilan ng irreversible ng prosesong ito (at lahat ng kilalang proseso sa Uniberso) ay ang paglipat ng system sa isang mas malamang na estado. Sa isinasaalang-alang na halimbawa sa pakikipag-ugnay ng dalawang katawan na may magkaibang temperatura, ang pinakamalamang na estado ay ang isa kung saan ang lahat ng mga particle ng system ay magkakaroon ng parehong kinetic energy.
Ang pangalawang batas ng thermodynamics ay maaaring buuin tulad ng sumusunod: "Ang init ay hindi kailanman maaaring kusang ilipat mula sa malamig na katawan patungo sa isang mainit." Kung ipinakilala natin ang konsepto ng entropy bilang isang sukatan ng kaguluhan, maaari itong ilarawan bilang mga sumusunod: "Anumang proseso ng thermodynamic ay nagpapatuloy sa pagtaas ng entropy".
Heat engine
Ang terminong ito ay nauunawaan bilang isang sistema na, dahil sa supply ng panlabas na enerhiya dito, ay maaaring magsagawa ng mekanikal na gawain. Unaang mga heat engine ay mga steam engine at naimbento noong katapusan ng ika-17 siglo.
Ang pangalawang batas ng thermodynamics ay gumaganap ng isang mapagpasyang papel sa pagtukoy ng kanilang pagiging epektibo. Itinatag din ni Sadi Carnot na ang pinakamataas na kahusayan ng device na ito ay: Efficiency=(T2 - T1)/T2, dito ang T2 at T1 ay mga temperatura ng heater at refrigerator. Magagawa lamang ang mekanikal na gawain kapag may daloy ng init mula sa mainit na katawan patungo sa malamig, at ang daloy na ito ay hindi maaaring 100% ma-convert sa kapaki-pakinabang na enerhiya.
Ipinapakita ng figure sa ibaba ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng isang heat engine (Qabs - inilipat ang init sa makina, Qced - pagkawala ng init, W - kapaki-pakinabang na trabaho, P at V - presyon at dami ng gas sa piston).
Absolute zero at postulate ni Nernst
Sa wakas, magpatuloy tayo sa pagsasaalang-alang sa ikatlong batas ng thermodynamics. Tinatawag din itong Nernst postulate (ang pangalan ng German physicist na unang bumalangkas nito sa simula ng ika-20 siglo). Ang sabi ng batas: "Ang absolute zero ay hindi maabot ng may hangganan na bilang ng mga proseso." Iyon ay, imposible sa anumang paraan na ganap na "i-freeze" ang mga molekula at atomo ng isang sangkap. Ang dahilan nito ay ang patuloy na umiiral na pagpapalitan ng init sa kapaligiran.
Ang isang kapaki-pakinabang na konklusyon na nakuha mula sa ikatlong batas ng thermodynamics ay ang entropy ay bumababa habang ang isa ay gumagalaw patungo sa absolute zero. Nangangahulugan ito na ang sistema ay may posibilidad na ayusin ang sarili nito. Ang katotohanang ito ay maaarigamitin, halimbawa, upang ilipat ang mga paramagnet sa isang ferromagnetic na estado kapag pinalamig.
Nakakatuwang tandaan na ang pinakamababang temperatura na naabot sa ngayon ay 5·10−10 K (2003, MIT laboratory, USA).
