חוקי התרמודינמיקה

ה תֶרמוֹדִינָמִיקָה הוא ענף הפיזיקה שאחראי עליו לקבוע ולמדוד תופעות העברת אנרגיה, המקיף עבודות חום ומכניות.

אֵנֶרְגִיָה

אחד הביטויים הבסיסיים ביותר של הטבע הוא האנרגיה המלווה את כל השינויים וההתמרות. לפיכך, תופעות מגוונות כמו נפילת אבן, תנועה של כדור ביליארד, שריפת פחם או צמיחה של ותגובות של המנגנונים המורכבים של יצורים חיים, כל אלה כוללים ספיגה, פליטה וחלוקה מחודשת של ה אֵנֶרְגִיָה.

הצורה הנפוצה ביותר בה האנרגיה מופיעה וכלפיה האחרים נוטים, היא חַם. לידו מתרחש אנרגיה מכנית בתנועה של כל מנגנון.

כוח חשמלי כאשר זרם מחמם מוליך או מסוגל לבצע עבודה מכנית או כימית. אנרגיה קורנת הטבועה באור הנראה ובקרינה באופן כללי; ולבסוף האנרגיה הכימית המאוחסנת בכל החומרים, המתגלה כאשר הם מבצעים טרנספורמציה.

שונים ומגוונים כמו במבט ראשון שהם עשויים להניח, אולם הם קשורים זה לזה באופן הדוק, ובתנאים מסוימים המרה מתרחשת מאחד לשני. זה עניין של תרמודינמיקה ללמוד קשרי גומלין כאלה שמתרחשים במערכות, וחוקיהם, החלים על כל תופעות הטבע, מתקיימים בקפדנות מאז הם מבוססים על התנהגות של מערכות מקרוסקופיות, כלומר עם מספר רב של מולקולות במקום מערכות מיקרוסקופיות הכוללות מספר מופחת של הֵם.

למערכות שבהן חוקי התרמודינמיקה, הם נקראים מערכות תרמודינמיות.

תֶרמוֹדִינָמִיקָה אינו מתחשב בזמן השינוי. האינטרס שלך מתמקד במדינות הראשוניות והסופיות של מערכת מבלי להראות שום סקרנות לגבי המהירות בה מתרחש שינוי כזה.

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

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

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

הסיבה היא שהאנרגיות המעורבות כה גדולות, עד שכל שינוי בהן כתוצאה מתהליכים פיזיקלים או כימיים הוא זניח.

לפיכך השינויים ההמוניים הנובעים מאותן העברות הם בלתי נתפסים, ולכן תרמודינמיקה מעדיפה להתמודד עם הבדלי אנרגיה כאלה שניתנים למדידה והם באים לידי ביטוי במערכות יחידות שונות.

לדוגמה, היחידה של מערכת האנרגיה האנרגטית המכנית, החשמלית או התרמית היא ה- Erg. זו של מערכת היחידות הבינלאומית היא הג'ול או יולי; זו של המערכת האנגלית היא הקלוריות.

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

חוק אפס של תרמודינמיקה

זה הפשוט והבסיסי מבין הארבעה, וזה בעצם הנחת יסוד שאומרת:

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

החוק הראשון של התרמודינמיקה

החוק הראשון של התרמודינמיקה קובע את שמירת האנרגיה מתוך ההנחה שהוא אומר:

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

חוק זה מנוסח באומרו כי עבור כמות נתונה של צורת אנרגיה שנעלמת, צורה אחרת שלה תופיע בכמות השווה לכמות שנעלמה.

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

החוק מוחזק על ידי החוק הראשון:

ΔE + W = Q

החוק הראשון של התרמודינמיקה מבסס את הקשר בין חום נספג לעבודה המבוצעת על ידי מערכת, אינה מעידה על מגבלה כלשהי על מקור חום זה או לכיוון שלו זְרִימָה.

על פי החוק הראשון, שום דבר לא מונע שללא עזרה חיצונית אנו מפיקים חום מהקרח לחימום המים, הטמפרטורה של הראשונה נמוכה מזו של השנייה.

אבל זה ידוע לזרימת החום הכיוון היחיד מהטמפרטורה הגבוהה ביותר 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 הכמות הפיזית המגדירה את החוק השני של התרמודינמיקה, והיא תלויה במצבים הראשוניים והסופיים:

ΔS = S₂ ס₁

האנטרופיה של התהליך כולו ניתנת גם על ידי:

ΔS = q_ר/ ת

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

החוק השלישי של התרמודינמיקה

חוק זה עוסק באנטרופיה של חומרים גבישיים טהורים בטמפרטורה אפסית מוחלטת, והנחת היסוד שלה היא:

"האנטרופיה של כל המוצקים הגבישיים הטהורים חייבת להיחשב לאפסית בטמפרטורה אפסית מוחלטת."

זה תקף מכיוון שעדויות ניסיוניות וטיעונים תיאורטיים מראים שהאנטרופיה של פתרונות או נוזלים מקוררים-על אינה אפסית ב- 0K.

דוגמאות ליישומים של תרמודינמיקה

מקררים ביתיים

מפעלי קרח

מנועי בעירה פנימית

מיכלים תרמיים למשקאות חמים

סירי לחץ

קומקומים

מסילות ברזל המופעלות בשריפת פחם

תנורי התכת מתכת

גוף האדם בחיפוש אחר הומאוסטזיס

בגדים שלבושים בחורף מחממים את הגוף