Mis on termodünaamika:
Termodünaamika on füüsika haru, mis uurib soojuse, rakendatud jõu (tuntud ka kui töö) ja energia ülekande suhet.
Sõna termodünaamika pärineb Kreeka juurtest θερμο- (termo-) mis tähendab "soojust" ja δυναμικός (dünamikós), mis omakorda tuleneb δύναμις (dýnamis), mis tähendab "tugevus" või "jõud".
Termodünaamilised protsessid määratakse kolme põhiseadusega.
- Esimene seadus võimaldab meil mõista, kuidas energiat säästetakse.
- Teist seadust kasutatakse tingimuste tundmiseks, mis on vajalikud energia ülekandmiseks.
- Kolmas seadus aitab teada süsteemide käitumist tasakaalus.
Termodünaamiliste protsesside mõistmine on oluline sellistes valdkondades nagu tööstustehnika, kus mitme masina käitamiseks on vaja kasutada palju energiat.
Termodünaamika seadused võimaldavad meil mõista ka süsteemide toimimist sellistes valdkondades nagu biokeemia, kosmoloogia ja geneetika.
Termodünaamika seadused
Termodünaamikas on kolm seadust, mis selgitavad, kuidas soojus ja energia toimivad ja levivad. Me selgitame neid üksikasjalikult allpool.
Esimene termodünaamika seadus
Esimene seadus käsitleb energia säästmist: energiat ei looda ega hävitata, see muudetakse ainult. Näiteks:
- Päikeseenergia muundatakse teenindusjaama elektrienergiaks.
- Seda elektrienergiat saab kasutada elektriauto aku laadimiseks.
- Elektriauto on võimeline akumuleeritud energiat muundama töömahuks.
Seetõttu on energia alati liikvel.
Lihtsustatud valem oleks järgmine:
Termodünaamika teine seadus
Termodünaamika teine seadus võimaldab määrata kahte asja:
- Energia ülekande suund.
- Tingimused, mis on vajalikud protsessi ümberpööramiseks.
Siit saame teada, et on olemas pöörduvad ja pöördumatud protsessid.
Näiteks segatakse lauasool veega spontaanselt läbi protsessi, mida nimetatakse lahjendamiseks. See protsess eraldab soojust.
Selle protsessi ümberpööramiseks ja soolakristallide uuesti moodustamiseks tuleb rakendada soojust, mis võimaldab vett aurustuda ja soolast eraldada. Süsteem neelab soojust.
Lihtsustatud valem oleks järgmine:
Termodünaamika kolmas seadus
Termodünaamika kolmas seadus ühendab kaks varasemat seadust ja rakendab neid absoluutses tasakaalus olevate süsteemide suhtes. Selles seisundis on minimaalne energiavahetus ja maksimaalne häire (või entroopia).
Kolmandat seadust kohaldatakse suletud süsteemide suhtes. Seda tüüpi süsteeme nähakse ainult teoreetilises füüsikas ja keemias.
Lihtsustatud valem oleks järgmine:
Termodünaamika süsteemide tüübid
Termodünaamika seaduste mõistmiseks on kõigepealt oluline teada olemasolevaid süsteemitüüpe ja nende käitumist.
Kõik meie ümber koosneb süsteemidest ja enamik tuttavaid süsteeme vahetavad energiat. Süsteemid liigitatakse kolme tüüpi: avatud, suletud ja isoleeritud.
- Avatud süsteemid: nad vahetavad energiat ja ainet väljastpoolt (näiteks jaanituli).
- Suletud süsteemid: nad vahetavad energiat ainult väljastpoolt (näiteks mobiiltelefoniga).
- Isoleeritud süsteemid: Nad ei vaheta ainet ega energiat (need on ainult teoreetilised).
Kui avatud ja suletud süsteemide puhul kehtivad termodünaamika esimene ja teine seadus, siis isoleeritud süsteemide puhul kolmas seadus.
Süsteemi olek
On kaks põhiseisundit, milles süsteeme (olenemata nende tüübist) võib leida.
- Aktiivsed süsteemid: kui toimub energiavahetus, öeldakse, et süsteem on aktiivne.
- Puhkeseisundis või tasakaalus olevad süsteemid: energiavahetuse puudumisel loetakse süsteem puhkeolekus või tasakaalus olevat.
Soojus ja soojusülekanne termodünaamikas
Füüsika järgi on soojus energiavool, mis eksisteerib kahe erineva temperatuuriga süsteemi kokkupuutel. Termiline tasakaal saavutatakse siis, kui kõik seotud süsteemid saavutavad sama temperatuuri.
Termodünaamilistes süsteemides, kui kaks neist on tasakaalus kolmanda süsteemiga, on nad ka omavahel tasakaalus. Seetõttu on tasakaalu saavutamisel temperatuur konstantne.
