Termodynamika: Základní definice a zákony

Termodynamika je obor fyziky, který se zabývá vztahy mezi teplem a jinými formami energie. Konkrétně popisuje, jak se tepelná energie přeměňuje na jiné formy energie a jak tepelná energie ovlivňuje hmotu. Podívejme se blíže na to, na jakých zákonech je termodynamika založena.

Kristina Lyubová
Diskutujte o tématu

Teplo

Termodynamika se zabývá několika vlastnostmi hmoty; Tím hlavním je teplo. Podle Georgia State University je teplo energie přenášená mezi látkami nebo systémy v důsledku teplotních rozdílů mezi nimi. Jako forma energie se teplo zachovává – nelze jej vytvořit ani zničit. Může se však přenášet z jednoho těla do druhého. Teplo lze také přeměnit na jiné formy energie.

INZERCE – POKRAČOVÁNÍ NÍŽE

teplota

Podle Georgia State University závisí množství tepla přenášeného látkou na rychlosti a počtu atomů nebo molekul této látky v pohybu.

Čím rychleji se atomy nebo molekuly pohybují, tím vyšší je teplota a čím více atomů nebo molekul je v pohybu, tím větší množství tepla předávají.

Teplota je míra průměrné kinetické energie částic ve vzorku látky, vyjádřená v jednotkách nebo stupních, indikovaná na standardní stupnici. Nejčastěji používaná teplotní stupnice je Celsia, která je založena na bodech tuhnutí a varu vody s odpovídajícími hodnotami 0 C a 100 C. Fahrenheitova stupnice je také založena na bodech tuhnutí a varu vody, které jsou přiřazené hodnoty 32 stupňů F a 212 F.

INZERCE – POKRAČOVÁNÍ NÍŽE

Vědci po celém světě však používají Kelvinovu stupnici pojmenovanou po Williamu Thomsonovi, protože je založena spíše na celkové tepelné energii než na bodech tuhnutí a varu vody. Tato stupnice používá stejné přírůstky jako stupnice Celsia; např. změna teploty o 1 C se rovná 1 K. Kelvinova stupnice však začíná absolutní nulou, teplotou, při které je úplná absence tepelné energie a veškerý molekulární pohyb ustává. Teplota 0 K se rovná minus 459,67 F nebo minus 273,15 C.

INZERCE – POKRAČOVÁNÍ NÍŽE

INZERCE – POKRAČOVÁNÍ NÍŽE

Přenos tepla

Teplo se může přenášet z jednoho tělesa do druhého nebo mezi tělesem a prostředím různými způsoby: vedením, prouděním.

Vedení je přenos energie pevným materiálem. K vodivosti mezi tělesy dochází, když jsou v přímém kontaktu a molekuly přenášejí svou energii přes rozhraní.

Konvekce je přenos tepla do tekutiny nebo z tekutiny. Molekuly v plynu nebo kapalině, které jsou v kontaktu s pevnou látkou, přenášejí nebo absorbují teplo do nebo z tohoto tělesa a pak se vzdalují, což umožňuje ostatním molekulám v kapalině přesunout se na místo a opakovat proces.

INZERCE – POKRAČOVÁNÍ NÍŽE

Entropie

Všechny termodynamické systémy vytvářejí odpadní teplo. Toto plýtvání vede ke zvýšení entropie, což je míra neuspořádanosti systému. Protože práce pochází z uspořádaného molekulárního pohybu, entropie je mírou energie, která není k dispozici pro vykonání práce. Entropie v jakémkoli uzavřeném systému vždy roste; nikdy neklesá. Pohyblivé části navíc produkují odpadní teplo v důsledku tření a sálavé teplo nevyhnutelně proudí ven ze systému.

INZERCE – POKRAČOVÁNÍ NÍŽE

To znemožňuje takzvané perpetum mobile stroje. Syabal Mitra, profesor fyziky na University of Missouri, řekl: „Nelze postavit motor, který je 100% účinný, což znamená, že nemůžete postavit stroj s věčným pohybem. Existuje však mnoho lidí, kteří tomu stále nevěří, a také těch, kteří se stále snaží sestrojit perpetum mobile.“

INZERCE – POKRAČOVÁNÍ NÍŽE

Entropie je také definována jako „míra neuspořádanosti nebo náhodnosti v uzavřeném systému“, která také neúprosně roste. Můžete míchat horkou a studenou vodu, ale protože velký šálek teplé vody je neuspořádanější než dva malé šálky obsahující horkou a studenou vodu, nikdy ji nemůžete rozdělit zpět na horkou a studenou, aniž byste do systému přidali energii. Jinými slovy, nemůžete rozbít vejce nebo odstranit smetanu z kávy.

Čtyři zákony termodynamiky

Základní principy termodynamiky byly původně vyjádřeny ve třech zákonech. Vědci později zjistili, že byl zanedbán zásadnější zákon, zřejmě proto, že se zdál tak samozřejmý, že nebylo třeba ho výslovně uvádět. Aby se vytvořil úplný soubor pravidel, vědci se rozhodli, že tento nejzákladnější zákon musí být zahrnut. Problém byl však v tom, že první tři zákony již byly zavedeny a byly dobře známé podle přidělených čísel. Tváří v tvář perspektivě přečíslování stávajících zákonů, což by způsobilo značný zmatek, nebo umístění prominentního zákona na konec seznamu, což by nedávalo logický smysl, navrhl britský fyzik Ralph H. Fowler alternativu, která dilema vyřešila: nový zákon „Zero Law“ podle Saint Anselm College. Všechny čtyři zákony jsou shrnuty níže:

Termodynamika (z termo. a dynamika), úsek fyziky, který popisuje nejobecnější vlastnosti (včetně termických) makroskopických systémů, které jsou v termodynamickém (tepelném) kontaktu s okolím. Zákony termodynamiky jsou univerzální, to znamená, že nezávisí na fyzikální povaze konkrétních objektů (systémů), a tedy ani na jejich mikroskopické struktuře.

Základní pojmy termodynamiky

V rámci termodynamiky jsou objekty (systémy) charakterizovány pouze svými makroskopickými charakteristikami, které se nazývají extenzivní a intenzivní stavové parametry (termodynamické parametry). Extenzivní parametry zahrnují celkovou energii E ℰ E, celkovou hybnost P tučný symbol PP, celkový moment hybnosti L tučný symbol LL, dále objem VVV, počet částic NNN, entropii SSS atd. Tyto hodnoty odpovídají intenzivním parametrům – absolutní teplota TTT , rychlost středu setrvačnosti V c . A . tučný symbol V_ V c . A . ​a úhlová rychlost Ω Ω Ω, tlak ppp, chemický potenciál μ μ μ atd.

Termodynamika se od jiných odvětví fyziky, jako je mechanika a elektrodynamika, liší způsobem vzájemného působení systému a prostředí, ve kterém hraje rozhodující roli povaha hranice (stěny) mezi nimi. Zejména zcela izolované systémy vůbec neinteragují s prostředím a zachovávají si své rozsáhlé parametry, kterými jsou mechanické integrály pohybu. Adiabaticky izolované systémy mohou měnit hodnoty E ℰ E, P tučný symbol PP a L tučný symbol LL v důsledku vnější mechanické práce, ale nepodléhají tepelné výměně; v uzavřených systémech jsou stěny pro částice neprostupné, takže počet částic NNN je zachován.

Termodynamický stav systému může být rovnovážný nebo nerovnovážný (viz termodynamika nerovnovážných procesů) a v rovnovážném stavu nedochází k tokům žádných termodynamických parametrů mezi částmi systému, což znamená jejich rovnoměrné rozložení po objemu. V obecném případě je termodynamický stav systému určen minimálním požadovaným počtem stavových parametrů (viz Gibbsovo fázové pravidlo), případně souřadnicemi v prostoru nezávislých termodynamických parametrů (fázový prostor); v nejjednodušším případě je tento prostor dvourozměrný a zahrnuje např. objem VVV a teplotu TTT (nebo tlak ppp). Časová změna termodynamického stavu soustavy se nazývá termodynamický děj a v rámci termodynamiky se obvykle uvažuje o vratných dějích (obvykle dosti pomalých), které jsou reprezentovány křivkami ve fázovém prostoru. Nejběžnější jsou polytropické procesy, při kterých některý z termodynamických parametrů zůstává konstantní.

Základy termodynamiky

Základem termodynamiky jako vědy jsou 4 principy, které mají empirický původ a nebyly dosud vyvráceny žádným vědeckým experimentem. T.n. Nulový zákon termodynamiky tvrdí existenci stavu termodynamické rovnováhy, zakládá důležitou vlastnost jeho tranzitivity a umožňuje zavést pojem (empirická) teplota ttt a poté absolutní TTT. První termodynamický zákon je zobecněním zákona zachování a změny energie EEE v mechanice, kde v nejjednodušším případě d E = δ A = – pd V dE=δA=–pdV d E = δ A = – pd V (zde AAA je práce). Je to první termodynamický zákon, který zavádí koncept malého množství tepla δ Q δQ δ Q a následně entropie (nejprve empirické σ σ σ, a poté absolutní SSS) prostřednictvím Clausiova vztahu: δ Q = td σ = T dS δQ=tdσ= TdS δQ = td σ = TdS. Podle prvního termodynamického zákona d U = δ A + δ Q = – pd V + T d S dU=δA+δQ=–pdV+TdS d U = δ A + δ Q = – pd V + T d S , kde vnitřní energie UUU a entropie SSS jsou funkcemi stavu (body ve fázovém prostoru), kdežto stavové funkce AAA a QQQ neexistují – tyto veličiny závisí na typu měr. proces. První termodynamický zákon vylučuje existenci perpetum mobile 1. druhu.

Druhý termodynamický zákon má řadu vzájemně ekvivalentních kvalitativních formulací, které mají povahu „zásad zákazu“ – např. proces samovolného přenosu tepla z méně zahřátého tělesa na více zahřáté je nemožný (J. Thomson ). Stejně tak cyklický proces úplné přeměny tepla na práci je nemožný bez jakýchkoli změn prostředí (M. Planck), což znamená vyloučení možnosti existence hypotetického perpetuum mobile 2. druhu.

Obecně platí, že druhý termodynamický zákon udává směr jakýchkoli nerovnovážných a nevratných termodynamických procesů; její kvantitativní vyjádření má tvar Clausiovy nerovnosti pro celkovou entropii: d S ⩾ δ Q / T dS ⩾ δQ/T d S ⩾ δ Q / T a znak rovnosti se vyskytuje pouze u rovnovážných vratných procesů. Clausiova nerovnost má nejjednodušší fyzikální význam pro adiabaticky izolovaný systém, kdy δ Q = 0 δQ=0 δ Q = 0 a růst entropie je způsoben pouze vnitřními nevratnými procesy vedoucími k vyrovnání intenzivních termodynamických parametrů. Je zřejmé, že rovnovážný stav izolované soustavy odpovídá maximu její vnitřní entropie. Jednou z alternativních formulací druhého termodynamického zákona je Carnotův teorém, podle kterého účinnost žádného cyklu tepelného motoru nepřevyšuje účinnost Carnotova cyklu.

Třetí termodynamický zákon popisuje chování fyzikálních systémů blízko absolutní nulové teploty. Kvalitativním smyslem tohoto principu je nemožnost dosažení této hodnoty konečným počtem termodynamických procesů. Kvantitativně třetí termodynamický zákon stanoví začátek entropie pro jakýkoli rovnovážný systém: S → 0 S→0 S → 0 v T → 0 T→0 T → 0 (M. Planck, 1911). V obecnějším případě S → S 0 S→S_0 S → S 0 ​, kde S 0 = k ln ⁡ g 0 S_0 = kln g_0 S 0 ​ = k ln g 0 ​, g 0 ⩾ 1 g_0 ⩾ 1 g 0 ⩾ 1 – násobek degenerace nejnižší (základní) energetická hladina objektu, kkk – Boltzmannova konstanta. Odtud zejména vyplývá, že tepelná kapacita C = T ( d S / d T ) → 0 C=T(dS/dT)→0 C = T ( d S / d T ) → 0 při T → 0 T→0 T → 0, takže jakýkoli systém v limitu T → 0 T→0 T → 0 se stane adiabaticky izolovaným, tj. prakticky neschopné dalšího chlazení.

Matematický aparát termodynamiky

Pro kvantitativní analýzu stavů a ​​vratných procesů v rovnovážné termodynamice byla vyvinuta metoda termodynamických potenciálů, které jsou stavovými funkcemi. Mezi tyto potenciály patří vnitřní energie UUU jako funkce objemu VVV a entropie SSS, stejně jako entropie SSS jako funkce objemu VVV a vnitřní energie UUU; Nejčastěji používaným potenciálem je volná energie FFF jako funkce objemu VVV a teploty TTT. Všechny termodynamické potenciály jsou ekvivalentní, protože mezi nimi existují rozdílné vztahy; jejich výpočet vyžaduje specifikaci modelu objektu a je předmětem statistické fyziky.

První derivace libovolného termodynamického potenciálu dávají stavové rovnice fyzikální soustavy (kalorické a tepelné), druhé derivace udávají termodynamickou susceptibilitu, mezi které patří tepelná kapacita (při konstantním objemu nebo tlaku) a stlačitelnost – izotermická (při konstantní teplotě) a adiabatické (při konstantní entropii) . Mezi hodnotami susceptibility (tzv. Maxwellovy vztahy) jsou vztahy symetrie, protože všechny termodynamické potenciály jsou funkcemi stavu. Termodynamické potenciály nám umožňují podat pohodlnější formulaci podmínek termodynamické rovnováhy – mechanické ( p = p 0 p=p_0 p = p 0 ​ ) a tepelné ( T = T 0 T=T_0 T = T 0 ​ ) (index „0“ označuje parametry prostředí), stejně jako stabilitu této rovnováhy, která vyžaduje pozitivitu všech termodynamických susceptibilit. Rozvoj metody termodynamických potenciálů vede ke kvantitativnímu popisu termodynamické rovnováhy nejen pro jednofázové, ale i pro vícefázové fyzikální systémy; například křivka fázové rovnováhy dvou fází je dána Clapeyronovou–Clausiovou rovnicí.

Zveřejněno 27. června 2023 ve 17:53 (GMT+3). Naposledy aktualizováno 27. června 2023 ve 17:53 (GMT+3). Kontaktujte redakci