חוקי התרמודינמיקה

ה תֶרמוֹדִינָמִיקָה הוא ענף הפיזיקה שאחראי עליו לקבוע ולמדוד תופעות של העברת אנרגיה, הכולל חום ועבודה מכנית.

אֵנֶרְגִיָה

אחד הביטויים הבסיסיים ביותר של הטבע הוא האנרגיה המלווה את כל השינויים והתמורות. לפיכך, תופעות מגוונות כמו נפילת אבן, תנועת כדור ביליארד, שריפת פחם או גדילה. והתגובות של המנגנונים המורכבים של יצורים חיים, כולם כוללים ספיגה, פליטה וחלוקה מחדש של אֵנֶרְגִיָה.

הצורה הנפוצה ביותר שבה מופיעה אנרגיה ואליה נוטים אחרים, היא חַם. לידו מתרחש אנרגיה מכנית בתנועה של כל מנגנון.

אנרגיה חשמלית כאשר זרם מחמם מוליך או מסוגל לבצע עבודה מכנית או כימית. אנרגיית קרינה הטבועה לאור הנראה ולקרינה בכלל; ולבסוף האנרגיה הכימית האצורה בכל החומרים, שמתגלה כאשר הם מבצעים טרנספורמציה.

עם זאת, שונים ומגוונים ככל שניתן לשער במבט ראשון, הם קשורים זה לזה באופן הדוק, ובתנאים מסוימים מתרחשת המרה מאחד לשני. זה עניין של תרמודינמיקה חקר יחסי גומלין כאלה המתקיימים במערכות, וחוקיהן, החלים על כל תופעות הטבע, מתקיימים בקפדנות מאז הם מבוססים על התנהגות של מערכות מקרוסקופיות, כלומר עם מספר רב של מולקולות במקום מולקולות מיקרוסקופיות הכוללות מספר מופחת של הֵם.

למערכות שבהן חוקי התרמודינמיקה, הם נקראים מערכות תרמודינמיות.

תֶרמוֹדִינָמִיקָה אינו מתחשב בזמן השינוי. האינטרס שלך מתמקד במצב ההתחלתי והסופי של מערכת מבלי להראות כל סקרנות לגבי המהירות שבה מתרחש שינוי כזה.

האנרגיה של מערכת נתונה היא קינטית, פוטנציאלית או שניהם בו-זמנית. ה אנרגיה קינטית זה בשל תנועתוטוב שיהיה מולקולרית או של הגוף בכללותו.

מצד שני, פוטנציאל זה סוג של אנרגיה זה מערכת מחזיקה מתוקף מיקומה, כלומר לפי המבנה או התצורה שלו ביחס לגופים אחרים.

תכולת האנרגיה הכוללת של כל מערכת היא הסכום של הקודמות, ולמרות שניתן לחשב את ערכה המוחלט תוך התחשבות ביחס המפורסם של איינשטיין E = mC², כאשר E היא האנרגיה, m המסה ו-C מהירות האור, עובדה זו אינה מועילה בשיקולים תרמודינמיים רגילים.

הסיבה היא שהאנרגיות המעורבות כל כך גדולות שכל שינוי בהן כתוצאה מתהליכים פיזיקליים או כימיים הוא זניח.

לפיכך, השינויים ההמוניים הנובעים מאותן העברות אינם ניתנים לשליטה, ומסיבה זו התרמודינמיקה מעדיפה להתמודד עם הבדלי אנרגיה כאלה שניתנים למדידה ומתבטאים במערכות שונות של יחידות.

לדוגמה, היחידה של מערכת cgs של אנרגיה מכנית, חשמלית או תרמית היא ה-Erg. זה של מערכת היחידות הבינלאומית הוא הג'ול או יולי; זו של המערכת האנגלית היא הקלוריה.

ה התרמודינמיקה נשלטת על ידי ארבעה חוקים, המבוסס על חוק האפס.

חוק האפס של התרמודינמיקה

זה הפשוט והיסודי ביותר מבין הארבעה, וזה בעצם הנחת יסוד האומרת:

"אם גוף A נמצא בשיווי משקל תרמי עם גוף B, וגוף C נמצא בשיווי משקל בתורו עם B, אז A ו-C נמצאים בשיווי משקל."

החוק הראשון של התרמודינמיקה

החוק הראשון של התרמודינמיקה מבסס את שימור האנרגיה בהנחה שהוא אומר:

"אנרגיה לא נוצרת ולא נהרסת, היא רק משתנה."

חוק זה מנוסח בכך שעבור כמות נתונה של צורת אנרגיה שנעלמת, תופיע צורה אחרת שלה בכמות השווה לכמות שנעלמה.

זה נחשב ליעד של כמות מסוימת של חום (Q) נוסף למערכת. סכום זה יצמיח א עלייה באנרגיה הפנימית (ΔE) וזה גם ישפיע בוודאות עבודה חיצונית (W) כתוצאה מספיגת החום האמורה.

זה נקבע בחוק הראשון:

ΔE + W = Q

למרות שהחוק הראשון של התרמודינמיקה קובע את הקשר בין חום נספג לעבודה מבוצע על ידי מערכת, אינו מצביע על הגבלה כלשהי על מקור החום הזה או בכיוון שלו זְרִימָה.

לפי החוק הראשון, שום דבר לא מונע שבלי עזרה חיצונית נשאב חום מהקרח לחימום המים, הטמפרטורה של הראשונים נמוכה מזו של האחרונים.

אבל זה ידוע לזרימת החום יש את הכיוון היחיד מהטמפרטורה הגבוהה לנמוכה ביותר.

החוק השני של התרמודינמיקה

החוק השני של התרמודינמיקה מתייחס לחוסר העקביות של החוק הראשון, ונושא את ההנחה הבאה:

"חום אינו הופך לעבודה מבלי לייצר שינויים קבועים במערכות הכלולות או בסביבתן."

אנטרופיה היא הגודל הפיזיקלי המגדיר את החוק השני של התרמודינמיקה, והיא תלויה במצב ההתחלתי והסופי:

ΔS = S₂ - ש₁

האנטרופיה של התהליך כולו ניתנת גם על ידי:

ΔS = q_ר/ ט

להיות ש_ר החום של תהליך איזותרמי הפיך ו-T הטמפרטורה הקבועה.

החוק השלישי של התרמודינמיקה

חוק זה עוסק באנטרופיה של חומרים גבישיים טהורים בטמפרטורת אפס מוחלטת, והנחת היסוד שלו היא:

"האנטרופיה של כל מוצקים גבישיים טהורים חייבת להיחשב לאפס בטמפרטורת אפס מוחלטת."

זה תקף מכיוון שראיות ניסיוניות וטיעונים תיאורטיים מראים שהאנטרופיה של תמיסות או נוזלים מקוררים-על אינה אפס ב-0K.

דוגמאות ליישומים של תרמודינמיקה

מקררים ביתיים

מפעלי קרח

מנועי בעירה פנימית

מיכלים תרמיים לשתייה חמה

סירי לחץ

קומקומים

מסילות ברזל המונעות על ידי שריפת פחם

תנורי התכת מתכת

גוף האדם בחיפוש אחר הומאוסטזיס

בגדים הנלבשים בחורף שומרים על חום הגוף