Dugo vremena među fizičarima i predstavnicima drugih znanosti postojao je način opisivanja onoga što opažaju tijekom svojih eksperimenata. Nedostatak konsenzusa i veliki broj termini uzeti „iz vedra neba“ doveli su do zabune i nesporazuma među kolegama. S vremenom je svaka grana fizike dobila svoje utvrđene definicije i mjerne jedinice. Tako su se pojavili termodinamički parametri koji objašnjavaju većinu makroskopskih promjena u sustavu.

Definicija

Parametri stanja ili termodinamički parametri niz su fizikalnih veličina koje sve zajedno i svaka zasebno mogu karakterizirati promatrani sustav. To uključuje koncepte kao što su:

• temperatura i tlak;
• koncentracija, magnetska indukcija;
• entropija;
• entalpija;
• Gibbsove i Helmholtzove energije i mnoge druge.

Postoje intenzivni i ekstenzivni parametri. Ekstenzivni su oni koji izravno ovise o masi termodinamičkog sustava, a intenzivni oni koji su određeni drugim kriterijima. Nisu svi parametri jednako neovisni, stoga je za izračunavanje ravnotežnog stanja sustava potrebno odrediti nekoliko parametara odjednom.

Osim toga, među fizičarima postoje neka terminološka neslaganja. Isti fizička karakteristika za različite autore to se može nazvati ili procesom, ili koordinatom, ili vrijednošću, ili parametrom, ili čak samo svojstvom. Sve ovisi o sadržaju u kojem ga znanstvenik koristi. Ali u nekim slučajevima postoje standardizirane preporuke kojih se sastavljači dokumenata, udžbenika ili naredbi moraju pridržavati.

Klasifikacija

Postoji nekoliko klasifikacija termodinamičkih parametara. Dakle, na temelju prvog odlomka već je poznato da se sve količine mogu podijeliti na:

• ekstenzivni (aditivni) - takve tvari poštuju zakon dodavanja, odnosno njihova vrijednost ovisi o broju sastojaka;
• intenzivni - ne ovise o tome koliko je tvari uzeto za reakciju, budući da su usklađeni tijekom interakcije.

Na temelju uvjeta u kojima se nalaze tvari koje čine sustav, veličine se mogu podijeliti na one koje opisuju fazne reakcije i kemijske reakcije. Osim toga, potrebno je uzeti u obzir reaktante. Oni mogu biti:

• termomehanički;
• termofizički;
• termokemijski.

Osim toga, bilo koji termodinamički sustav obavlja određenu funkciju, tako da parametri mogu karakterizirati rad ili toplinu dobivenu kao rezultat reakcije, a također vam omogućuju izračunavanje energije potrebne za prijenos mase čestica.

Varijable stanja

Stanje bilo kojeg sustava, uključujući termodinamički, može se odrediti kombinacijom njegovih svojstava ili karakteristika. Sve varijable koje su potpuno određene samo u određenom trenutku i ne ovise o tome kako je točno sustav došao u to stanje nazivamo termodinamičkim parametrima (varijablama) stanja ili funkcijama stanja.

Sustav se smatra stacionarnim ako funkcijske varijable ne mijenjaju se tijekom vremena. Jedna opcija je termodinamička ravnoteža. Svaka, pa i najmanja promjena u sustavu već je proces i može sadržavati od jednog do nekoliko promjenjivih parametara termodinamičkog stanja. Slijed u kojem stanja sustava kontinuirano prelaze jedno u drugo naziva se "procesni put".

Nažalost, još uvijek postoji zabuna s pojmovima, budući da ista varijabla može biti i neovisna i rezultat dodavanja nekoliko funkcija sustava. Stoga se pojmovi kao što su "funkcija stanja", "parametar stanja", "varijabla stanja" mogu smatrati sinonimima.

Temperatura

Jedan od neovisnih parametara stanja termodinamičkog sustava je temperatura. To je veličina koja karakterizira količinu kinetičke energije po jedinici čestica u termodinamičkom sustavu u ravnoteži.

Ako definiciji pojma pristupimo sa stajališta termodinamike, tada je temperatura vrijednost obrnuto proporcionalna promjeni entropije nakon dodavanja topline (energije) sustavu. Kada je sustav u ravnoteži, vrijednost temperature je ista za sve njegove "sudionike". Ako postoji temperaturna razlika, tada toplije tijelo odaje energiju, a hladnije je apsorbira.

Postoje termodinamički sustavi u kojima se pridodavanjem energije nered (entropija) ne povećava, već se, naprotiv, smanjuje. Osim toga, ako takav sustav stupa u interakciju s tijelom čija je temperatura veća od vlastite, tada će svoju kinetičku energiju predati tom tijelu, a ne obrnuto (na temelju zakona termodinamike).

Pritisak

Tlak je veličina koja karakterizira silu koja djeluje na tijelo okomito na njegovu površinu. Da bi se izračunao ovaj parametar, potrebno je podijeliti cjelokupnu količinu sile s površinom objekta. Jedinice ove sile bit će paskali.

U slučaju termodinamičkih parametara, plin zauzima cijeli volumen koji mu je na raspolaganju, a, osim toga, molekule koje ga čine neprestano se nasumično kreću i sudaraju se međusobno i s posudom u kojoj se nalaze. Upravo ti udari određuju pritisak tvari na stijenke posude ili na tijelo koje se nalazi u plinu. Sila se jednako širi u svim smjerovima upravo zbog nepredvidivog kretanja molekula. Za povećanje tlaka potrebno je povećati temperaturu sustava i obrnuto.

Unutarnja energija

Glavni termodinamički parametri koji ovise o masi sustava uključuju unutarnju energiju. Sastoji se od kinetičke energije uzrokovane kretanjem molekula tvari, kao i od potencijalne energije koja se javlja kada molekule međusobno djeluju.

Ovaj parametar je nedvosmislen. To jest, vrijednost unutarnje energije je konstantna kad god je sustav unutra željeno stanje, bez obzira kako je (stanje) postignuto.

Nemoguće je promijeniti unutarnju energiju. To je zbroj topline koju odaje sustav i rada koji on proizvodi. Za neke procese uzimaju se u obzir i drugi parametri, kao što su temperatura, entropija, tlak, potencijal i broj molekula.

Entropija

Drugi zakon termodinamike kaže da se entropija ne smanjuje. Druga formulacija tvrdi da energija nikada ne prelazi s tijela s nižom temperaturom na toplije. To pak poriče mogućnost stvaranja perpetuum mobile jer je nemoguće svu energiju kojom raspolaže tijelo pretočiti u rad.

Sam pojam "entropije" uveden je u upotrebu sredinom 19. stoljeća. Tada je to percipirano kao promjena količine topline u temperaturu sustava. Ali takva definicija vrijedi samo za procese koji su stalno u stanju ravnoteže. Iz ovoga možemo izvući sljedeći zaključak: ako temperatura tijela koja čine sustav teži nuli, tada će i entropija biti jednaka nuli.

Entropija kao termodinamički parametar stanja plina koristi se kao pokazatelj mjere slučajnosti, slučajnosti gibanja čestica. Koristi se za određivanje rasporeda molekula u određenom području i posudi ili za izračunavanje elektromagnetske sile međudjelovanja između iona tvari.

Entalpija

Entalpija je energija koja se može pretvoriti u toplinu (ili rad) pri konstantnom tlaku. To je potencijal sustava koji je u stanju ravnoteže, ako istraživač zna razinu entropije, broj molekula i tlak.

Ako je naveden termodinamički parametar idealni plin, umjesto entalpije, koristi se izraz "energija proširenog sustava". Da bismo si lakše objasnili tu vrijednost, možemo zamisliti posudu napunjenu plinom, koji je jednoliko stlačen klipom (npr. motor unutarnje izgaranje). U tom će slučaju entalpija biti jednaka ne samo unutarnjoj energiji tvari, već i radu koji se mora učiniti da se sustav dovede u potrebno stanje. Promjena ovog parametra ovisi samo o početnom i konačnom stanju sustava, a način na koji će se ono dobiti nije bitan.

Gibbsova energija

Termodinamički parametri i procesi, najvećim dijelom, povezani su s energetskim potencijalom tvari koje čine sustav. Dakle, Gibbsova energija je ekvivalent ukupne kemijske energije sustava. Pokazuje kakve će se promjene dogoditi tijekom kemijskih reakcija i hoće li tvari uopće međusobno djelovati.

Promjena količine energije i temperature sustava tijekom reakcije utječe na koncepte kao što su entalpija i entropija. Razlika između ova dva parametra nazvat ćemo Gibbsova energija ili izobarno-izotermni potencijal.

Minimalna vrijednost te energije opaža se ako je sustav u ravnoteži, a njegov tlak, temperatura i količina tvari ostaju nepromijenjeni.

Helmholtzova energija

Helmholtzova energija (prema drugim izvorima - jednostavno slobodna energija) potencijalna je količina energije koju će sustav izgubiti u interakciji s tijelima koja nisu njegov dio.

Koncept Helmholtz slobodne energije često se koristi za određivanje maksimalnog rada koji sustav može izvršiti, odnosno koliko se topline oslobađa kada tvari prijeđu iz jednog stanja u drugo.

Ako je sustav u termodinamičkoj ravnoteži (tj. ne vrši nikakav rad), tada je razina slobodne energije na minimumu. To znači da se također ne događaju promjene drugih parametara, poput temperature, tlaka i broja čestica.

Uvod. 2

Termodinamika. Opći koncept. 3

Pojam termodinamičkog sustava.. 4

Vrste termodinamičkih sustava.. 6

Termodinamički procesi.. 7

reverzibilan i nepovratni procesi.. 7

Unutarnja energija sustava.. 10

Nulti početak termodinamike.. 11

Prvi zakon termodinamike.. 12

Drugi zakon termodinamike.. 14

Treći zakon termodinamike.. 16

Posljedice. 17

Nedostižnost apsolutne nulte temperature. 17

Ponašanje termodinamičkih koeficijenata. 17

Uvod

Stalno se susrećemo ne samo s mehaničkim kretanjem, već i s toplinskim pojavama koje su povezane s promjenom tjelesne temperature ili prijelazom tvari u različito agregatno stanje - tekuće, plinovito ili kruto.

Toplinski procesi su od velike važnosti za postojanje života na Zemlji, budući da je protein sposoban za život samo u određenom temperaturnom rasponu. Život na Zemlji ovisi o temperaturi okoliš.

Ljudi su postigli relativnu neovisnost o okolini nakon što su naučili ložiti vatru. Ovo je bio jedan od najveća otkrića u zoru čovječanstva.

Termodinamika je znanost o toplinskim pojavama koja ne uzima u obzir molekularnu strukturu tijela. O zakonima termodinamike i njihovoj primjeni bit će riječi u ovom eseju.

Termodinamika. Opći koncept

Počeci termodinamike su skup postulata koji su u osnovi termodinamike. Ove odredbe su uspostavljene kao rezultat znanstveno istraživanje i eksperimentalno su dokazani. Oni su prihvaćeni kao postulati kako bi se termodinamika mogla konstruirati aksiomatski.

Nužnost principa termodinamike povezana je s činjenicom da termodinamika opisuje makroskopske parametre sustava bez posebnih pretpostavki o njihovoj mikroskopskoj strukturi. Statistička fizika bavi se pitanjima unutarnje strukture.

Zakoni termodinamike su neovisni, odnosno nijedan od njih ne može se izvesti iz drugih principa.

Popis principa termodinamike

· Prvi zakon termodinamike je zakon održanja energije primijenjen na termodinamičke sustave.

· Drugi zakon termodinamike nameće ograničenja u smjeru termodinamičkih procesa, zabranjujući spontani prijenos topline s manje zagrijanih tijela na jače zagrijana. Također formuliran kao zakon rastuće entropije.

· Treći zakon termodinamike govori kako se entropija ponaša u blizini temperatura apsolutne nule.

· Nultim (ili općim) početkom termodinamike ponekad se naziva načelo prema kojem zatvoreni sustav, bez obzira na početno stanje, na kraju dolazi u stanje termodinamičke ravnoteže i ne može ga sam napustiti.

Pojam termodinamičkog sustava

Termodinamički sustav je svaki fizikalni sustav koji se sastoji od veliki brojčestice-atomi i molekule koje čine beskonačno toplinsko gibanje i međusobno djeluju, izmjenjuju energije. Takvi termodinamički sustavi, štoviše, oni najjednostavniji, su plinovi čije molekule izvode nasumične translacije i rotacijsko kretanje te razmjenjuju kinetičke energije tijekom sudara. Termodinamički sustavi su također čvrste i tekuće tvari.

Molekule čvrstih tijela čine nasumične oscilacije oko svojih ravnotežnih položaja, izmjena energije između molekula događa se zbog njihove kontinuirane interakcije, zbog čega se pomicanje jedne molekule iz ravnotežnog položaja odmah odražava na položaj i brzinu kretanja susjednih molekula. molekule. Budući da je prosječna energija toplinskog gibanja molekula povezana s temperaturom, temperatura je najvažnija fizička količina karakterizirajući razna stanja termodinamički sustavi. Osim temperature, stanje takvih sustava određeno je i volumenom koji zauzimaju, te vanjski pritisak ili vanjskih sila koje djeluju na sustav.

Važno svojstvo Termodinamički sustavi su postojanje njihovih ravnotežnih stanja u kojima mogu ostati koliko god želite. Ako se termodinamički sustav, koji se nalazi u jednom od ravnotežnih stanja, podvrgne vanjskom djelovanju i zatim prekine, sustav spontano prelazi u novo ravnotežno stanje. Međutim, treba naglasiti da je tendencija prijelaza u ravnotežno stanje uvijek i kontinuirana, čak i izvan vremena kada je sustav podvrgnut vanjskim utjecajima.

Ta tendencija, točnije, stalno postojanje procesa koji dovode do postizanja stanja ravnoteže, najvažnije je svojstvo termodinamičkih sustava.

Stanja izoliranog termodinamičkog sustava, koja, unatoč odsutnosti vanjskih utjecaja, ne traju konačna vremena, nazivaju se neravnotežnim. Sustav, u početku u neravnotežnom stanju, na kraju prelazi u ravnotežno stanje. Vrijeme prijelaza iz neravnotežnog stanja u ravnotežno stanje naziva se vrijeme relaksacije. Obrnuti prijelaz iz ravnotežnog stanja u neravnotežno može se izvesti uz pomoć vanjskih utjecaja na sustav.

Neravnoteža je, posebice, stanje sustava s različitim temperaturama na različitim mjestima, poravnanje t 0 u plinovima, krutinama i tekućinama je prijelaz tih tijela u ravnotežno stanje s istim t 0 unutar volumena tijelo. Drugi primjer neravnotežnog stanja može se dati razmatranjem dvofaznih sustava koji se sastoje od tekućine i njezine pare. Ako se iznad površine tekućine u zatvorenoj posudi nalazi nezasićena para, tada je stanje sustava neravnotežno: broj molekula koje napuštaju tekućinu u jedinici vremena veći je od broja molekula koje se vraćaju iz pare u tekućinu u isto vrijeme. Zbog toga se s vremenom broj molekula u parovitom stanju povećava sve dok se ne uspostavi ravnotežno stanje.

Prijelaz iz stanja ravnoteže u stanje ravnoteže u većini slučajeva događa se kontinuirano, a brzina tog prijelaza može biti vanjski utjecaj glatko prilagoditi, čineći proces opuštanja vrlo brzim ili vrlo sporim. Tako se, primjerice, mehaničkim miješanjem može značajno povećati brzina izjednačavanja temperature u tekućinama ili plinovima; hlađenjem tekućine može se vrlo usporiti proces difuzije tvari otopljene u njoj.

Osnovni parametri stanja termodinamičkih sustava

termodinamički sustav naziva se skup različitih tijela sposobnih za energetsku interakciju jedno s drugim i s okolinom. Pri tome količina tvari može biti stalna ili promjenjiva, a tijela mogu biti u različitim agregatnim stanjima (plinovita, tekuća ili kruta).

Okoliš se podrazumijeva kao ukupnost svih drugih tijela koja nisu uključena u termodinamički sustav.

Termodinamički sustav naziva se izolirani ako nije u interakciji s okolinom, zatvoreno- ako se ta interakcija odvija samo u obliku izmjene energije, i otvoren- ako s okolinom izmjenjuje i energiju i materiju. Promjena stanja termodinamičkog sustava kao rezultat izmjene energije s okolinom naziva se termodinamički proces.

Glavni parametri koji karakteriziraju procese međusobne transformacije rada i topline su temperatura T, pritisak R i volumen V.

Temperatura je mjera intenziteta kretanja molekula tvari. Više kinetička energija kretanje molekula, viša je temperatura. Za apsolutnu nulu uzima se temperatura koja odgovara stanju potpunog mirovanja molekula plina. Ova točka je početak

očitanja temperature na apsolutnoj Kelvinovoj skali (oznaka - T, TO). U tehnici se obično koristi Celzijeva temperaturna ljestvica (oznaka - t, ° S), u kojem se talište leda uzima kao 0 ° C, a konstantno vrelište vode pri normalnom atmosferskom tlaku uzima se kao 100 stupnjeva.

Preračunavanje temperature od Celzijevih do apsolutnih provodi se prema formuli

T=t+273.15K, (2.2)

dok je veličina stupnja Celzijusa jednaka kelvinu: 1 ° C \u003d 1 K, tj.

Temperatura određuje smjer prijenosa topline, djeluje kao mjera zagrijavanja tijela. Dva sustava koja su međusobno u toplinskoj ravnoteži imaju istu temperaturu.

Tlak plina. Prema kinetičkoj teoriji, plin u zatvorenoj posudi vrši pritisak na njezine stijenke, što je rezultat djelovanja sile molekula plina u nasumičnom gibanju. Tlak se definira kao sila koja djeluje na jediničnu površinu i mjeri se u paskalima (Pa = N/m2).

Zbroj barometarskog (atmosferskog) i prekomjernog tlaka plina na stijenke posude je apsolutni tlak:

Gdje V- volumen koji zauzima plin, m 3; M- masa plina u volumenu V, kg. Količina tvari sadržana u jedinici volumena naziva se

gustoća plina ρ , kg / m 3. Slučajno je recipročan u odnosu na specifični volumen.

Stanje termodinamičkog sustava, karakterizirano konstantnom vrijednošću parametara u vremenu i u cjelokupnoj masi sustava, naziva se ravnoteža. U sustavu koji je u termodinamičkoj ravnoteži nema protoka topline i tvari kako unutar sustava tako i između sustava i okoline. Ravnotežno stanje plina može se izraziti jednadžbom f (R, V, T) = 0.

Idealan plin naziva se plin koji se sastoji od molekula čije se veličine mogu zanemariti i koje međusobno ne djeluju (nema potencijalne energije međudjelovanja). Uvođenje pojma idealnog plina u termodinamiku omogućuje dobivanje jednostavnijih analitičkih odnosa između parametara stanja. Iskustvo pokazuje da se uz poznatu aproksimaciju ove ovisnosti mogu primijeniti za proučavanje svojstava stvarnih plinova.

Termodinamika je znanost koja proučava opće obrasce tijeka procesa praćenih oslobađanjem, apsorpcijom i transformacijom energije. Kemijska termodinamika proučava međusobne transformacije kemijske energije i njezinih drugih oblika - toplinske, svjetlosne, električne itd., utvrđuje kvantitativne zakonitosti tih prijelaza, a također omogućuje predviđanje stabilnosti tvari u danim uvjetima i njihove sposobnosti ulaska u određene kemijske reakcije. Predmet termodinamičkog razmatranja naziva se termodinamički sustav ili jednostavno sustav.

Sustav- bilo koji prirodni objekt koji se sastoji od velikog broja molekula (strukturnih jedinica) i odvojen od drugih prirodnih objekata stvarnom ili zamišljenom graničnom površinom (sučeljem).

Stanje sustava je skup svojstava sustava koji omogućuju definiranje sustava sa stajališta termodinamike.

Vrste termodinamičkih sustava:

ja Po prirodi izmjene tvari i energije s okolinom:

1. Izolirani sustav - ne izmjenjuje materiju ni energiju s okolinom (Δm = 0; ΔE = 0) - termos.

2. Zatvoreni sustav – ne izmjenjuje materiju s okolinom, ali može izmjenjivati ​​energiju (zatvorena tikvica s reagensima).

3. Otvoreni sustav – može razmjenjivati ​​s okolinom, kako materiju tako i energiju (ljudsko tijelo).

II. Prema agregatnom stanju:

1. Homogena - odsutnost drastičnih promjena u fizičkim i kemijska svojstva tijekom prijelaza iz jednog područja sustava u drugo (sastoje se od jedne faze).

2. Heterogeni – dva ili više homogenih sustava u jednom (sastoji se od dvije ili više faza).

Faza- ovo je dio sustava, homogen u svim točkama po sastavu i svojstvima i odvojen od ostalih dijelova sustava sučeljem. Primjer homogenog sustava je vodena otopina. Ali ako je otopina zasićena i na dnu posude postoje kristali soli, tada je sustav koji se razmatra heterogen (postoji fazna granica). Obična voda još je jedan primjer homogenog sustava, ali voda u kojoj pluta led je heterogeni sustav.

fazni prijelaz - fazne transformacije (otapanje leda, vrenje vode).

Termodinamički proces- prijelaz termodinamičkog sustava iz jednog stanja u drugo, što je uvijek povezano s kršenjem ravnoteže sustava.

Klasifikacija termodinamičkih procesa:

7. Izotermno - stalna temperatura– T = konst

8. Izobarni - konstantni tlak - p = konst

9. Izohorna - konstantan volumen - V = konst

standardno stanje je stanje sustava uvjetno odabrano kao standard za usporedbu.

Za plinovita faza- ovo je stanje kemijski čiste tvari u plinovitoj fazi pod standardnim tlakom od 100 kPa (prije 1982. - 1 standardna atmosfera, 101,325 Pa, 760 mmHg), što podrazumijeva prisutnost svojstava idealnog plina.

Za čista faza, smjesa ili otapalo u tekućini ili krutini agregatno stanje- Ovo je stanje kemijski čiste tvari u tekućoj ili krutoj fazi pod standardnim tlakom.

Za riješenje- je stanje otopljene tvari sa standardnim molalitetom od 1 mol/kg, pod standardnim tlakom ili standardnom koncentracijom, temeljeno na uvjetima da je otopina neograničeno razrijeđena.

Za kemijski čista tvar je tvar u dobro definiranom agregatnom stanju pod dobro definiranim, ali proizvoljnim standardnim tlakom.

U definiciji standardne države nije uključena standardna temperatura, iako se često govori o standardnoj temperaturi, koja iznosi 25 °C (298,15 K).

2.2. Osnovni pojmovi termodinamike: unutarnja energija, rad, toplina

Unutarnja energija U- ukupna rezerva energije, uključujući kretanje molekula, vibracije veza, kretanje elektrona, jezgri itd., tj. sve vrste energije osim kinetičke i potencijalne energije sustava u cjelini.

Nemoguće je odrediti vrijednost unutarnje energije bilo kojeg sustava, ali je moguće odrediti promjenu unutarnje energije ΔU koja se događa u određenom procesu tijekom prijelaza sustava iz jednog stanja (s energijom U 1) u drugo. (s energijom U 2):

ΔU ovisi o vrsti i količini tvari koja se razmatra i uvjetima njenog postojanja.

Ukupna unutarnja energija produkata reakcije razlikuje se od ukupne unutarnje energije polaznih materijala jer tijekom reakcije se preuređuju elektronske ljuske atoma molekula koje međusobno djeluju.

Termodinamika je znanost koja proučava toplinske pojave koje se događaju u tijelima bez povezivanja s molekularnom strukturom materije.

U termodinamici se smatra da sve toplinske procese u tijelima karakteriziraju samo makroskopski parametri- tlak, volumen i temperatura. A budući da se ne mogu primijeniti na pojedinačne molekule ili atome, tada se, za razliku od molekularno-kinetičke teorije, u termodinamici ne uzima u obzir molekularna struktura tvari u toplinskim procesima.

Svi koncepti termodinamike formulirani su kao generalizacija činjenica promatranih tijekom pokusa. Zbog toga se naziva fenomenološka (deskriptivna) teorija topline.

Termodinamički sustavi

Termodinamika opisuje toplinske procese koji se odvijaju u makroskopskim sustavima. Takvi sustavi sastoje se od ogromnog broja čestica – molekula i atoma, a nazivaju se termodinamičkim.

termodinamički sustav se može smatrati svaki predmet koji se može vidjeti golim okom ili uz pomoć mikroskopa, teleskopa i drugih optičkih instrumenata. Glavno je da dimenzije sustava u prostoru i vrijeme njegovog postojanja omogućuju mjerenje njegovih parametara - temperature, tlaka, mase, kemijski sastav elemenata itd., pomoću uređaja koji ne reagiraju na djelovanje pojedinih molekula (manometri, termometri itd.).

Za kemičare, termodinamički sustav je mješavina kemikalija koje međusobno djeluju u tom procesu kemijska reakcija. Astrofizičari će takav sustav nazvati nebeskim tijelom. mješavina goriva i zraka u automobilskom motoru Zemlja, naše tijelo, olovka za pisanje, bilježnica, alatni stroj itd. također su termodinamički sustavi.

Svaki termodinamički sustav je odvojen od okoline granicama. Mogu biti pravi – staklene stijenke epruvete sa kemijski, tijelo cilindra u motoru itd. A mogu biti i uvjetni, kada se, na primjer, proučava nastanak oblaka u atmosferi.

Ako se takav sustav ne razmijeni sa vanjsko okruženje ni energija ni materija, zove se izolirani ili zatvoreno .

Ako sustav izmjenjuje energiju s vanjskom okolinom, ali ne razmjenjuje materiju, tada se tzv zatvoreno .

otvoreni sustav izmjenjuje energiju i materiju s okolinom.

Termodinamička ravnoteža

Ovaj koncept se također uvodi u termodinamiku kao generalizacija eksperimentalnih rezultata.

Termodinamička ravnoteža naziva se takvo stanje sustava u kojem se sve njegove makroskopske veličine – temperatura, tlak, volumen i entropija – ne mijenjaju u vremenu ako je sustav izoliran. Svaki zatvoreni termodinamički sustav može spontano prijeći u takvo stanje ako svi vanjski parametri ostanu konstantni.

Najjednostavniji primjer sustava u termodinamičkoj ravnoteži je termosica s toplim čajem. Temperatura u njemu je ista u bilo kojoj točki tekućine. Iako se termos može nazvati izoliranim sustavom samo približno.

Svaki zatvoreni termodinamički sustav spontano teži prijeći u termodinamičku ravnotežu ako se vanjski parametri ne mijenjaju.

Termodinamički proces

Ako se barem jedan od makroskopskih parametara promijeni, onda kažu da sustav jest termodinamički proces . Takav se proces može dogoditi ako se promijene vanjski parametri ili sustav počne primati ili odašiljati energiju. Kao rezultat toga, prelazi u drugo stanje.

Razmotrite primjer čaja u termos boci. Ako umočimo komad leda u čaj i zatvorimo termosicu, odmah će doći do razlike u temperaturama u različite dijelove tekućine. Tekućina u termos boci nastojat će izjednačiti temperature. Iz područja s više visoka temperatura toplina će se prenositi tamo gdje je temperatura niža. To jest, dogodit će se termodinamički proces. Na kraju će temperatura čaja u termos boci ponovno postati ista. Ali već će se razlikovati od početne temperature. Stanje sustava se promijenilo jer se promijenila njegova temperatura.

Termodinamički proces događa se kada se pijesak zagrijan na plaži tijekom vrućeg dana noću hladi. Do jutra temperatura pada. Ali čim sunce izađe, proces zagrijavanja će ponovno započeti.

Unutarnja energija

Jedan od glavnih pojmova termodinamike je unutarnja energija .

Sva makroskopska tijela imaju unutarnju energiju, koja je zbroj kinetičke i potencijalne energije svih čestica (atoma i molekula) koje čine tijelo. Te čestice međusobno djeluju samo jedna s drugom, a ne s česticama okoline. Unutarnja energija ovisi o kinetičkoj i potencijalnoj energiji čestica i ne ovisi o položaju samog tijela.

U = E k + E p

Unutarnja energija mijenja se s temperaturom. Molekularno kinetička teorija to objašnjava promjenom brzine kretanja čestica tvari. Ako temperatura tijela raste, tada se povećava brzina kretanja čestica, udaljenost između njih postaje veća. Posljedično se povećava njihova kinetička i potencijalna energija. Kada temperatura padne, događa se obrnuti proces.

Za termodinamiku nije važnija vrijednost unutarnje energije, nego njezina promjena. A unutarnju energiju možete promijeniti pomoću procesa prijenosa topline ili mehaničkim radom.

Promjena unutarnje energije mehaničkim radom

Benjamin Rumford

Unutarnja energija tijela može se promijeniti mehaničkim radom na njemu. Ako se na tijelu vrši rad, tada se mehanička energija pretvara u unutarnju. A ako rad obavlja tijelo, tada se njegova unutarnja energija pretvara u mehaničku.

Gotovo do kraja 19. stoljeća vjerovalo se da postoji nemjerljiva tvar - kalorija, koja prenosi toplinu s tijela na tijelo. Što više kalorija dotječe u tijelo, to će biti toplije i obrnuto.

Međutim, 1798. godine anglo-američki znanstvenik grof Benjamin Rumford počeo je sumnjati u teoriju kalorija. Razlog tome bilo je zagrijavanje cijevi topova tijekom bušenja. Predložio je da je uzrok zagrijavanja mehanički rad koji se vrši tijekom trenja svrdla o cijev.

I Rumfoord je napravio eksperiment. Da bi povećali silu trenja, uzeli su tupu bušilicu, a samu bačvu stavili su u bačvu s vodom. Do kraja trećeg sata bušenja voda u bačvi počela je ključati. To je značilo da je deblo primalo toplinu prilikom izrade mehanički rad preko toga.

Prijenos topline

prijenos topline zove se fizički proces prijenosa toplinske energije (topline) s jednog tijela na drugo, bilo izravnim kontaktom ili kroz pregradu za razdvajanje. Toplina se u pravilu prenosi s toplijeg tijela na hladnije. Ovaj proces završava kada sustav dođe u stanje termodinamičke ravnoteže.

Energija koju tijelo prima ili predaje pri prijenosu topline naziva se količina topline .

Prema načinu prijenosa topline prijenos topline može se podijeliti u 3 vrste: toplinska vodljivost, konvencija, toplinsko zračenje.

Toplinska vodljivost

Ako između tijela ili dijelova tijela postoji temperaturna razlika, tada će se između njih dogoditi proces prijenosa topline. toplinska vodljivost zove se proces prijenosa unutarnje energije s jače zagrijanog tijela (ili njegovog dijela) na manje zagrijano tijelo (ili njegov dio).

Na primjer, zagrijavajući jedan kraj čelične šipke na vatri, nakon nekog vremena osjetit ćemo da se i njen drugi kraj zagrijava.

Stakleni štapić, čiji je jedan kraj vruć, lako držimo za drugi kraj, a da se ne opečemo. Ali ako pokušamo napraviti isti eksperiment sa željeznom šipkom, nećemo uspjeti.

Različite tvari različito provode toplinu. Svaki od njih ima svoje koeficijent toplinske vodljivosti, ili provodljivost, brojčano jednaka količini topline koja prolazi kroz uzorak debljine 1 m, površine 1 m 2 u 1 sekundi. Kao jedinica za temperaturu uzima se 1 K.

Metali najbolje provode toplinu. To je njihovo svojstvo koje koristimo u svakodnevnom životu, kuhajući u metalnim loncima ili tavama. Ali njihove se ručke ne smiju zagrijati. Zbog toga se izrađuju od materijala slabe toplinske vodljivosti.

Toplinska vodljivost tekućina je manja. I plinovi imaju lošu toplinsku vodljivost.

Životinjsko krzno također je loš vodič topline. Zahvaljujući tome, ne pregrijavaju se po vrućem vremenu i ne smrzavaju po hladnom vremenu.

Konvencija

Prema konvenciji, toplina se prenosi mlazovima i protokom plina ili tekućine. U čvrste tvari nema konvencije.

Kako nastaje konvencija u tekućini? Kad stavimo kotlić vode na vatru, donji sloj tekućina se zagrijava, gustoća joj se smanjuje, pomiče se prema gore. Njegovo mjesto zauzima hladniji sloj vode. Nakon nekog vremena i on će se zagrijati i također promijeniti mjesto s hladnijim slojem. itd.

Sličan se proces događa i u plinovima. Nije slučajno da su baterije za grijanje postavljene na dnu prostorije. Uostalom, zagrijani zrak se uvijek diže Gornji dio sobe. A donji, hladni, naprotiv, pada. Zatim se također zagrije i ponovno podigne, i gornji sloj za to vrijeme se ohladi i pada.

Konvencija je prirodna i prisilna.

U atmosferi se neprestano odvijaju prirodne konvencije. Kao rezultat toga, postoje stalna kretanja toplih zračnih masa prema gore, a hladnih - dolje. Rezultat su vjetar, oblaci i druge prirodne pojave.

Kad prirodna konvencija nije dovoljna, koristim prisilnu konvenciju. Na primjer, topli zrak struji u prostoriji uz pomoć lopatica ventilatora.

toplinsko zračenje

Sunce grije zemlju. Nema prijenosa topline ili konvencije. Pa zašto se tijela zagrijavaju?

Činjenica je da je Sunce izvor toplinskog zračenja.

toplinsko zračenje je elektromagnetsko zračenje koje nastaje zbog unutarnje energije tijela. Sva tijela oko nas zrače toplinskom energijom. To može biti vidljivo svjetlo stolne lampe ili izvori nevidljivih ultraljubičastih, infracrvenih ili gama zraka.

Ali tijela ne zrače samo toplinu. Oni ga također konzumiraju. Neki u većoj, drugi u manjoj mjeri. Štoviše, tamna tijela se i zagrijavaju i hlade brže od svijetlih. Za vrućeg vremena nastojimo nositi odjeću svijetlih boja, jer upija manje topline od odjeće tamnih boja. Automobil tamne boje zagrijava se na suncu puno brže od automobila svijetle boje koji stoji pored njega.

Ovo svojstvo tvari da apsorbiraju i zrače toplinu na različite načine koristi se u stvaranju sustava za noćno gledanje, sustava za samonavođenje projektila itd.