Na dlhú dobu Medzi fyzikmi a predstaviteľmi iných vied existoval spôsob, ako opísať to, čo pozorovali počas svojich experimentov. Nedostatok konsenzu a prítomnosti veľká kvantita výrazy vytrhnuté zo vzduchu viedli k zmätku a nedorozumeniam medzi kolegami. Postupom času každé odvetvie fyziky získalo svoje vlastné zavedené definície a jednotky merania. Takto sa objavili termodynamické parametre, ktoré vysvetľujú väčšinu makroskopických zmien v systéme.

Definícia

Stavové parametre alebo termodynamické parametre sú množstvo fyzikálnych veličín, ktoré spolu a každá jednotlivo môžu charakterizovať pozorovaný systém. Patria sem pojmy ako:

• teplota a tlak;
• koncentrácia, magnetická indukcia;
• entropia;
• entalpia;
• Gibbsove a Helmholtzove energie a mnohé ďalšie.

Existujú intenzívne a rozsiahle parametre. Extenzívne sú tie, ktoré sú priamo závislé od hmotnosti termodynamického systému a intenzívne sú tie, ktoré sú určené inými kritériami. Nie všetky parametre sú rovnako nezávislé, preto na výpočet rovnovážneho stavu systému je potrebné určiť niekoľko parametrov naraz.

Okrem toho medzi fyzikmi existujú určité terminologické nezhody. To isté fyzická charakteristika rôzni autori to môžu nazvať procesom, súradnicou, veličinou, parametrom alebo dokonca jednoducho vlastnosťou. Všetko závisí od toho, v akom obsahu to vedec použije. V niektorých prípadoch však existujú štandardizované odporúčania, ktoré musia tvorcovia dokumentov, učebníc alebo príkazov dodržiavať.

Klasifikácia

Existuje niekoľko klasifikácií termodynamických parametrov. Takže na základe prvého bodu je už známe, že všetky množstvá možno rozdeliť na:

• rozsiahle (aditívne) - takéto látky dodržiavajú zákon pridávania, to znamená, že ich hodnota závisí od množstva prísad;
• intenzívne – nezávisia od toho, koľko látky bolo na reakciu odobraté, keďže sa vyrovnajú počas interakcie.

Na základe podmienok, v ktorých sa nachádzajú látky tvoriace systém, možno veličiny rozdeliť na tie, ktoré popisujú fázové reakcie a chemické reakcie. Okrem toho je potrebné vziať do úvahy reaktanty. Môžu byť:

• termomechanické;
• termofyzikálne;
• termochemické.

Okrem toho každý termodynamický systém vykonáva špecifickú funkciu, takže parametre môžu charakterizovať prácu alebo teplo získané ako výsledok reakcie a tiež umožňujú vypočítať energiu potrebnú na prenos hmotnosti častíc.

Stavové premenné

Stav akéhokoľvek systému, vrátane termodynamického, môže byť určený kombináciou jeho vlastností alebo charakteristík. Termodynamické parametre (premenné) stavu alebo funkcie stavu sa nazývajú všetky premenné, ktoré sú úplne určené len v určitom časovom okamihu a nezávisia od toho, ako presne sa systém do tohto stavu dostal.

Systém sa považuje za stacionárny, ak variabilné funkcie sa časom nemenia. Jednou z možností je termodynamická rovnováha. Akákoľvek, aj najmenšia zmena v systéme je už proces a môže obsahovať jeden až niekoľko premenných termodynamických stavových parametrov. Postupnosť, v ktorej sa stavy systému nepretržite navzájom transformujú, sa nazýva „cesta procesu“.

Bohužiaľ stále existuje zmätok s pojmami, pretože tá istá premenná môže byť buď nezávislá, alebo môže byť výsledkom pridania niekoľkých systémových funkcií. Preto pojmy ako „stavová funkcia“, „stavový parameter“, „stavová premenná“ možno považovať za synonymá.

Teplota

Jedným z nezávislých parametrov stavu termodynamického systému je teplota. Je to veličina, ktorá charakterizuje množstvo kinetickej energie na jednotku častíc v termodynamickom systéme v rovnovážnom stave.

Ak pristúpime k definícii pojmu z hľadiska termodynamiky, tak teplota je veličina nepriamo úmerná zmene entropie po pridaní tepla (energie) do systému. Keď je systém v rovnováhe, hodnota teploty je rovnaká pre všetkých jeho „účastníkov“. Ak je rozdiel teplôt, potom energiu odovzdá teplejšie teleso a absorbuje chladnejšie.

Existujú termodynamické systémy, v ktorých pri pridávaní energie neporiadok (entropia) nerastie, ale naopak klesá. Okrem toho, ak takýto systém interaguje s telesom, ktorého teplota je vyššia ako jeho vlastná, potom odovzdá svoju kinetickú energiu tomuto telesu a nie naopak (na základe zákonov termodynamiky).

Tlak

Tlak je veličina, ktorá charakterizuje silu pôsobiacu na teleso kolmé na jeho povrch. Na výpočet tohto parametra je potrebné rozdeliť celé množstvo sily plochou objektu. Jednotkami tejto sily budú pascaly.

V prípade termodynamických parametrov plyn zaberá celý objem, ktorý má k dispozícii, a navyše molekuly, ktoré ho tvoria, sa neustále chaoticky pohybujú a narážajú do seba a do nádoby, v ktorej sa nachádzajú. Práve tieto nárazy spôsobujú tlak látky na steny nádoby alebo na teleso, ktoré je umiestnené v plyne. Sila je rozložená rovnako vo všetkých smeroch práve kvôli nepredvídateľnému pohybu molekúl. Na zvýšenie tlaku je potrebné zvýšiť teplotu systému a naopak.

Vnútorná energia

Medzi hlavné termodynamické parametre, ktoré závisia od hmotnosti systému, patrí vnútorná energia. Pozostáva z kinetickej energie spôsobenej pohybom molekúl látky, ako aj z potenciálnej energie, ktorá sa objavuje pri vzájomnej interakcii molekúl.

Tento parameter je jednoznačný. To znamená, že hodnota vnútornej energie je konštantná vždy, keď sa systém ocitne v správnom stave, bez ohľadu na to, ako sa to (štátu) podarilo dosiahnuť.

Je nemožné zmeniť vnútornú energiu. Pozostáva z tepla generovaného systémom a práce, ktorú produkuje. Pri niektorých procesoch sa berú do úvahy aj iné parametre, ako je teplota, entropia, tlak, potenciál a počet molekúl.

Entropia

Druhý termodynamický zákon hovorí, že entropia neklesá. Iná formulácia predpokladá, že energia sa nikdy neprenesie z telesa s nižšou teplotou do telesa s vyššou teplotou. To zase popiera možnosť vytvorenia stroja na večný pohyb, pretože nie je možné preniesť všetku energiu, ktorú má telo k dispozícii, do práce.

Samotný pojem „entropia“ sa začal používať v polovici 19. storočia. Potom to bolo vnímané ako zmena množstva tepla na teplotu systému. Ale takáto definícia je vhodná len pre procesy, ktoré sú neustále v rovnovážnom stave. Z toho môžeme vyvodiť nasledujúci záver: ak má teplota telies, ktoré tvoria systém, tendenciu k nule, potom bude entropia nulová.

Entropia ako termodynamický parameter stavu plynu sa používa ako indikácia miery neusporiadanosti, chaotického pohybu častíc. Používa sa na určenie rozloženia molekúl v určitej oblasti a nádobe alebo na výpočet elektromagnetickej sily interakcie medzi iónmi látky.

Entalpia

Entalpia je energia, ktorá sa môže premeniť na teplo (alebo prácu) pri konštantnom tlaku. Toto je potenciál systému, ktorý je v stave rovnováhy, ak výskumník pozná úroveň entropie, počet molekúl a tlak.

V prípade, že je uvedený termodynamický parameter ideálny plyn namiesto entalpie sa používa formulácia „energia rozšíreného systému“. Aby ste si túto hodnotu ľahšie vysvetlili, môžete si predstaviť nádobu naplnenú plynom, ktorá je rovnomerne stlačená pomocou piestu (napríklad motor vnútorné spaľovanie). V tomto prípade sa entalpia bude rovnať nielen vnútornej energii látky, ale aj práci, ktorú je potrebné vykonať, aby sa systém dostal do požadovaného stavu. Zmena tohto parametra závisí len od počiatočného a konečného stavu systému a nezáleží na ceste, ktorou sa získa.

Gibbsova energia

Termodynamické parametre a procesy sú z väčšej časti spojené s energetickým potenciálom látok, ktoré tvoria systém. Gibbsova energia je teda ekvivalentná celkovej chemickej energii systému. Ukazuje, aké zmeny nastanú počas chemických reakcií a či budú látky vôbec interagovať.

Zmena množstva energie a teploty systému počas reakcie ovplyvňuje pojmy ako entalpia a entropia. Rozdiel medzi týmito dvoma parametrami sa bude nazývať Gibbsova energia alebo izobaricko-izotermický potenciál.

Minimálna hodnota tejto energie sa pozoruje, ak je systém v rovnováhe a jeho tlak, teplota a látkové množstvá zostávajú nezmenené.

Helmholtzova energia

Helmholtzova energia (podľa iných zdrojov – jednoducho voľná energia) predstavuje potenciálne množstvo energie, ktoré systém stratí pri interakcii s telesami mimo neho.

Koncept Helmholtzovej voľnej energie sa často používa na určenie, akú maximálnu prácu môže systém vykonať, teda koľko tepla sa uvoľní pri prechode látok z jedného stavu do druhého.

Ak je systém v stave termodynamickej rovnováhy (teda nevykonáva žiadnu prácu), potom je hladina voľnej energie na minime. To znamená, že nedochádza ani k zmenám iných parametrov, ako je teplota, tlak a počet častíc.

Úvod. 2

Termodynamika. Všeobecná koncepcia. 3

Pojem termodynamický systém.. 4

Typy termodynamických systémov.. 6

Termodynamické procesy.. 7

Reverzibilné a nezvratné procesy.. 7

Vnútorná energia systému.. 10

Nulový zákon termodynamiky.. 11

Prvý zákon termodynamiky 12

Druhý termodynamický zákon.. 14

Tretí termodynamický zákon... 16

Dôsledky. 17

Nedosiahnuteľnosť teplôt absolútnej nuly. 17

Správanie termodynamických koeficientov. 17

Úvod

Neustále sa stretávame nielen s mechanickým pohybom, ale aj tepelnými javmi, ktoré sú spojené so zmenami telesnej teploty či prechodom látok do rôznych stavov agregácie – kvapalného, ​​plynného či pevného.

Tepelné procesy majú veľký význam pre existenciu života na Zemi, pretože proteín je schopný vitálnej aktivity iba v určitom teplotnom rozsahu. Život na Zemi závisí od teploty životné prostredie.

Ľudia dosiahli relatívnu nezávislosť od prostredia potom, čo sa naučili zakladať oheň. Toto bol jeden z najväčšie objavy na úsvite ľudstva.

Termodynamika je veda o tepelných javoch, ktorá nezohľadňuje molekulárnu štruktúru telies. V tejto eseji sa budú diskutovať zákony termodynamiky a ich aplikácia.

Termodynamika. Všeobecná koncepcia

Princípy termodynamiky sú súborom postulátov, ktoré sú základom termodynamiky. Výsledkom boli tieto ustanovenia vedecký výskum a boli experimentálne dokázané. Sú akceptované ako postuláty, takže termodynamika môže byť konštruovaná axiomaticky.

Potreba princípov termodynamiky je daná tým, že termodynamika popisuje makroskopické parametre systémov bez špecifických predpokladov týkajúcich sa ich mikroskopickej štruktúry. Problematikou vnútornej štruktúry sa zaoberá štatistická fyzika.

Princípy termodynamiky sú nezávislé, to znamená, že žiadny z nich nemožno odvodiť od iných princípov.

Zoznam princípov termodynamiky

· Prvý zákon termodynamiky je zákon zachovania energie aplikovaný na termodynamické systémy.

· Druhý termodynamický zákon ukladá obmedzenia smeru termodynamických procesov, zakazuje samovoľný prechod tepla z menej zahriatych telies na viac vyhrievané. Tiež formulovaný ako zákon rastúcej entropie.

· Tretí termodynamický zákon hovorí, ako sa správa entropia pri teplotách blízko absolútnej nuly.

· Nulový (alebo všeobecný) termodynamický zákon sa niekedy nazýva princíp, podľa ktorého uzavretý systém bez ohľadu na počiatočný stav nakoniec prichádza do stavu termodynamickej rovnováhy a nemôže ho sám opustiť.

Pojem termodynamický systém

Termodynamický systém je akýkoľvek fyzikálny systém pozostávajúci z veľké čísločastice-atómy a molekuly, ktoré prechádzajú nekonečným tepelným pohybom a navzájom sa ovplyvňujú a vymieňajú si energie. Takéto termodynamické systémy, a tie najjednoduchšie, sú plyny, ktorých molekuly podliehajú náhodnej translácii a rotačný pohyb a pri zrážkach si vymieňajú kinetické energie. Tuhé a kvapalné látky sú tiež termodynamické systémy.

Molekuly pevných látok vykonávajú náhodné vibrácie okolo svojich rovnovážnych polôh, k výmene energie medzi molekulami dochádza v dôsledku ich nepretržitej interakcie, v dôsledku čoho sa posunutie jednej molekuly z jej rovnovážnej polohy okamžite odrazí na polohe a rýchlosti pohybu susedných molekúl. molekuly. Keďže priemerná energia tepelného pohybu molekúl súvisí s teplotou, najdôležitejšia je teplota fyzikálne množstvo, charakterizujúce rôzne štáty termodynamické systémy. Okrem teploty je stav takýchto systémov určený aj objemom, ktorý zaberajú, a vonkajší tlak alebo vonkajšie sily pôsobiace na systém.

Dôležitá vlastnosť termodynamických systémov je existencia rovnovážnych stavov, v ktorých môžu zotrvať ľubovoľne dlho. Ak na termodynamický systém, ktorý je v niektorom z rovnovážnych stavov, pôsobí nejaký vonkajší vplyv a potom sa zastaví, potom systém samovoľne prejde do nového rovnovážneho stavu. Treba však zdôrazniť, že tendencia k prechodu do rovnovážneho stavu je vždy a nepretržite aktívna aj mimo doby, kedy je systém vystavený vonkajším vplyvom.

Táto tendencia alebo presnejšie neustála existencia procesov vedúcich k dosiahnutiu rovnovážneho stavu je najdôležitejšou vlastnosťou termodynamických systémov.

Stavy izolovaného termodynamického systému, ktoré napriek absencii vonkajších vplyvov nepretrvajú v konečných časových úsekoch, sa nazývajú nerovnovážne. Systém spočiatku v nerovnovážnom stave prechádza časom do rovnovážneho stavu. Čas prechodu z nerovnovážneho stavu do rovnovážneho stavu sa nazýva relaxačný čas. Spätný prechod z rovnovážneho stavu do nerovnovážneho stavu možno uskutočniť pomocou vonkajších vplyvov na systém.

Najmä stav sústavy s rôznymi teplotami na rôznych miestach je nerovnovážny, vyrovnanie t 0 v plynoch, tuhých látkach a kvapalinách je prechodom týchto telies do rovnovážneho stavu s rovnakým t 0 v rámci objemu telo. Ďalší príklad nerovnovážneho stavu možno uviesť uvažovaním dvojfázových systémov pozostávajúcich z kvapaliny a jej pary. Ak je nad povrchom kvapaliny v uzavretej nádobe nenasýtená para, potom je stav systému nerovnovážny: počet molekúl unikajúcich z kvapaliny za jednotku času je väčší ako počet molekúl vracajúcich sa z pary do kvapaliny v rovnakom čase. Výsledkom je, že v priebehu času sa počet molekúl v parnom stave zvyšuje, až kým sa nevytvorí rovnovážny stav.

Prechod z rovnovážneho stavu do rovnovážneho stavu prebieha vo väčšine prípadov nepretržite a rýchlosť tohto prechodu možno určiť pomocou vhodných vonkajší vplyv plynulo upravovať, vďaka čomu je relaxačný proces buď veľmi rýchly, alebo veľmi pomalý. Napríklad mechanickým miešaním môžete výrazne zvýšiť rýchlosť vyrovnávania teploty v kvapalinách alebo plynoch, ochladzovaním kvapaliny môžete veľmi spomaliť difúzny proces látky v nej rozpustenej.

Základné parametre stavu termodynamických systémov

Termodynamický systém je súbor rôznych tiel schopných vzájomnej energetickej interakcie a interakcie s prostredím. V tomto prípade môže byť množstvo hmoty konštantné alebo premenlivé a telesá môžu byť v rôznych stavoch agregácie (plynné, kvapalné alebo pevné).

Prostredím sa rozumie súhrn všetkých ostatných telies, ktoré nie sú zahrnuté v termodynamickom systéme.

Termodynamický systém je tzv izolovaný ak nie je v interakcii s prostredím, ZATVORENÉ- ak k tejto interakcii dochádza len vo forme výmeny energie, a OTVORENÉ- ak si s okolím vymieňa energiu aj hmotu. Zmena stavu termodynamického systému v dôsledku výmeny energie s prostredím sa nazýva termodynamický proces.

Hlavnými parametrami, ktoré charakterizujú procesy vzájomnej premeny práce a tepla, sú teplota T, tlak R a objem V.

Teplota je miera intenzity pohybu molekúl látky. Viac Kinetická energia pohyb molekúl, tým vyššia je teplota. Teplota zodpovedajúca stavu úplného zvyšku molekúl plynu sa považuje za absolútnu nulu. Tento bod je začiatkom

výpočty teploty na absolútnej Kelvinovej stupnici (označenie - T, TO). V technike sa zvyčajne používa teplotná stupnica Celzia (označenie - t, °C), pri ktorej sa teplota topenia ľadu berie ako 0 °C a konštantná teplota varu vody pri normálnom atmosférickom tlaku sa berie ako 100 stupňov.

Prevod teploty zo stupnice Celzia na absolútnu stupnicu sa vykonáva pomocou vzorca

T=t+273,15 tis., (2,2)

Navyše, veľkosť stupňa Celzia sa rovná kelvinu: 1 °C = 1 K, t.j.

Teplota určuje smer prenosu tepla a pôsobí ako miera zahrievania telies. Dva systémy, ktoré sú navzájom v tepelnej rovnováhe, majú rovnaké teploty.

Tlak plynu. Podľa kinetickej teórie plyn nachádzajúci sa v uzavretej nádobe vyvíja tlak na jej steny, ktorý je výsledkom silového pôsobenia molekúl plynu v náhodnom pohybe. Tlak je definovaný ako sila pôsobiaca na jednotku plochy a meria sa v pascaloch (Pa = N/m2).

Súčet barometrického (atmosférického) a pretlaku, ktorým plyn pôsobí na steny nádoby, je absolútny tlak:

Kde V- objem zaberaný plynom, m3; M- hmotnosť plynu v objeme V, kg. Množstvo látky obsiahnuté v jednotke objemu sa nazýva

hustota plynu ρ , kg/m3. Náhodou je recipročné vo vzťahu k špecifickému objemu.

Nazýva sa stav termodynamického systému charakterizovaný konštantnými hodnotami parametrov v priebehu času a v celej hmotnosti systému rovnováha. V systéme v termodynamickej rovnováhe nedochádza k toku tepla a hmoty ani v rámci systému, ani medzi systémom a prostredím. Rovnovážny stav plynu možno vyjadriť rovnicou f (R, V, T) = 0.

Ideálny plyn je plyn pozostávajúci z molekúl, ktorých veľkosti možno zanedbať a ktoré navzájom neinteragujú (neexistuje žiadna potenciálna interakčná energia). Zavedenie pojmu ideálny plyn do termodynamiky umožňuje získať jednoduchšie analytické vzťahy medzi stavovými parametrami. Skúsenosti ukazujú, že s určitou aproximáciou možno tieto závislosti aplikovať na štúdium vlastností reálnych plynov.

Termodynamika je veda, ktorá študuje všeobecné vzorce procesov sprevádzaných uvoľňovaním, absorpciou a transformáciou energie. Chemická termodynamika študuje vzájomné premeny chemickej energie a jej iných foriem - tepla, svetla, elektriny a pod., stanovuje kvantitatívne zákonitosti týchto prechodov a tiež umožňuje predpovedať stabilitu látok za daných podmienok a ich schopnosť vstúpiť. do určitých chemických reakcií. Predmet termodynamickej úvahy sa nazýva termodynamický systém alebo jednoducho systém.

systém– akýkoľvek prírodný objekt pozostávajúci z veľkého počtu molekúl (štrukturálnych jednotiek) a oddelený od iných prírodných objektov reálnou alebo imaginárnou hraničnou plochou (rozhraním).

Stav systému je súbor vlastností systému, ktoré nám umožňujú definovať systém z hľadiska termodynamiky.

Typy termodynamických systémov:

ja Podľa povahy výmeny hmoty a energie s prostredím:

1. Izolovaný systém - nevymieňa si s okolím ani hmotu, ani energiu (Δm = 0; ΔE = 0) - termoska.

2. Uzavretý systém – nevymieňa látky s okolím, ale môže si vymieňať energiu (uzavretá banka s činidlami).

3. Otvorený systém – dokáže si vymieňať s okolím hmotu aj energiu (ľudské telo).

II. Podľa stavu agregácie:

1. Homogénna – absencia náhlych zmien fyzických a chemické vlastnosti pri prechode z jednej oblasti systému do druhej (pozostávajú z jednej fázy).

2. Heterogénne - dva alebo viac homogénnych systémov v jednom (pozostáva z dvoch alebo viacerých fáz).

Fáza- je to časť systému, homogénna vo všetkých bodoch zloženia a vlastností a oddelená od ostatných častí systému rozhraním. Príkladom homogénneho systému je vodný roztok. Ak je však roztok nasýtený a na dne nádoby sú kryštály soli, potom je uvažovaný systém heterogénny (existuje fázové rozhranie). Ďalším príkladom homogénneho systému je jednoduchá voda, ale voda s ľadom plávajúcim v nej je heterogénny systém.

Fázový prechod - fázové premeny (topenie ľadu, varenie vody).

Termodynamický proces- prechod termodynamickej sústavy z jedného stavu do druhého, ktorý je vždy spojený s nerovnováhou sústavy.

Klasifikácia termodynamických procesov:

7. Izotermický - konštantná teplota– T = konšt

8. Izobarický - konštantný tlak – p = konšt

9. Izochorický - konštantný objem – V = konšt

Štandardný stav je stav systému, podmienene zvolený ako štandard na porovnanie.

Pre plynná fáza- je to stav chemicky čistej látky v plynnej fáze pri štandardnom tlaku 100 kPa (do roku 1982 - 1 štandardná atmosféra, 101 325 Pa, 760 mm Hg), z čoho vyplýva prítomnosť vlastností ideálneho plynu.

Pre čistá fáza zmes alebo rozpúšťadlo v kvapalnom alebo tuhom stave stav agregácie- je to stav chemicky čistej látky v kvapalnej alebo pevnej fáze pod štandardným tlakom.

Pre Riešenie- je to stav rozpustenej látky so štandardnou molalitou 1 mol/kg, pri štandardnom tlaku alebo štandardnej koncentrácii, za podmienok, že roztok je nekonečne zriedený.

Pre chemicky čistá látka- ide o látku v jasne definovanom stave agregácie pod jasne definovaným, ale svojvoľným štandardným tlakom.

Pri definovaní štandardného stavu štandardná teplota nie je zahrnutá, aj keď často hovoria o štandardnej teplote, ktorá je 25 ° C (298,15 K).

2.2. Základné pojmy termodynamiky: vnútorná energia, práca, teplo

Vnútorná energia U- celkový prísun energie vrátane pohybu molekúl, vibrácií väzieb, pohybu elektrónov, jadier a pod., t.j. všetky druhy energie okrem kinetickej a potenciálnej energie systémov ako celku.

Nie je možné určiť hodnotu vnútornej energie akéhokoľvek systému, ale je možné určiť zmenu vnútornej energie ΔU, ktorá nastáva v konkrétnom procese počas prechodu systému z jedného stavu (s energiou U 1) do druhého. (s energiou U 2):

ΔU závisí od druhu a množstva danej látky a podmienok jej existencie.

Celková vnútorná energia produktov reakcie sa líši od celkovej vnútornej energie východiskových látok, pretože Počas reakcie dochádza k reštrukturalizácii elektronických obalov atómov interagujúcich molekúl.

Termodynamika je veda, ktorá študuje tepelné javy vyskytujúce sa v tele bez toho, aby ich spájala s molekulárnou štruktúrou látky.

V termodynamike sa verí, že všetky tepelné procesy v telesách sú charakterizované len makroskopickými parametrami- tlak, objem a teplota. A keďže ich nemožno aplikovať na jednotlivé molekuly alebo atómy, tak na rozdiel od molekulárno-kinetickej teórie sa v termodynamike neberie do úvahy molekulárna štruktúra hmoty v tepelných procesoch.

Všetky pojmy termodynamiky sú formulované ako zovšeobecnenie faktov pozorovaných počas experimentov. Z tohto dôvodu sa nazýva fenomenologická (deskriptívna) teória tepla.

Termodynamické systémy

Termodynamika popisuje tepelné procesy prebiehajúce v makroskopických systémoch. Takéto systémy pozostávajú z obrovského množstva častíc - molekúl a atómov a nazývajú sa termodynamické.

Termodynamický systém možno považovať akýkoľvek predmet, ktorý možno vidieť voľným okom alebo pomocou mikroskopov, ďalekohľadov a iných optických prístrojov. Hlavná vec je, že rozmery systému v priestore a čas jeho existencie umožňujú meranie jeho parametrov - teploty, tlaku, hmotnosti, chemické zloženie prvkov a pod., pomocou prístrojov, ktoré nereagujú na vplyv jednotlivých molekúl (tlakomery, teplomery a pod.).

Pre chemikov je termodynamický systém zmesou chemických látok, ktoré v procese navzájom interagujú chemická reakcia. Astrofyzici budú takýto systém nazývať nebeské teleso. Zmes paliva a vzduchu v motore auta, Zem, termodynamické systémy sú aj naše telo, písacie pero, zápisník, stroj atď.

Každý termodynamický systém je oddelený od svojho prostredia hranicami. Môžu byť skutočné - sklenené steny skúmavky s chemický, teleso valca v motore a pod. Alebo môžu byť podmienené, keď napríklad študujú vznik oblaku v atmosfére.

Ak sa takýto systém nevymieňa s vonkajšie prostredie ani energia, ani hmota, potom sa to vola izolovaný alebo ZATVORENÉ .

Ak si systém vymieňa energiu s vonkajším prostredím, ale nevymieňa hmotu, tak je tzv ZATVORENÉ .

Otvorený systém vymieňa energiu aj hmotu s vonkajším prostredím.

Termodynamická rovnováha

Tento koncept bol zavedený aj do termodynamiky ako zovšeobecnenie experimentálnych výsledkov.

Termodynamická rovnováha nazývajú stav systému, v ktorom sa všetky jeho makroskopické veličiny – teplota, tlak, objem a entropia – v čase nemenia, ak je systém izolovaný. Akýkoľvek uzavretý termodynamický systém môže spontánne prejsť do takéhoto stavu, ak všetky vonkajšie parametre zostanú konštantné.

Najjednoduchším príkladom systému v stave termodynamickej rovnováhy je termoska s horúcim čajom. Teplota v ňom je v každom bode kvapaliny rovnaká. Hoci termosku možno nazvať izolovaným systémom len približne.

Akýkoľvek uzavretý termodynamický systém má spontánne tendenciu prejsť do termodynamickej rovnováhy, ak sa vonkajšie parametre nemenia.

Termodynamický proces

Ak sa zmení aspoň jeden z makroskopických parametrov, potom hovoria, že systém zažíva termodynamický proces . K takémuto procesu môže dôjsť, ak sa zmenia vonkajšie parametre alebo systém začne prijímať alebo vysielať energiu. V dôsledku toho prechádza do iného stavu.

Spomeňme si na príklad čaju v termoske. Ak do čaju vložíme kúsok ľadu a termosku uzavrieme, okamžite sa objaví rozdiel teplôt rôzne časti kvapaliny. Kvapalina v termoske bude mať tendenciu vyrovnávať teploty. Z oblastí s viac vysoká teplota teplo sa prenesie tam, kde je nižšia teplota. To znamená, že dôjde k termodynamickému procesu. Nakoniec bude teplota čaju v termoske opäť rovnaká. Ale už sa bude líšiť od počiatočnej teploty. Stav systému sa zmenil, pretože sa zmenila jeho teplota.

Termodynamický proces nastáva, keď sa piesok, ktorý bol zahriaty na pláži počas horúceho dňa, v noci ochladí. Ráno mu klesne teplota. Akonáhle však vyjde slnko, proces zahrievania sa znova spustí.

Vnútorná energia

Jedným z hlavných pojmov termodynamiky je vnútornej energie .

Všetky makroskopické telesá majú vnútornú energiu, ktorá je súčtom kinetických a potenciálnych energií všetkých častíc (atómov a molekúl), ktoré tvoria teleso. Tieto častice interagujú iba medzi sebou a neinteragujú s časticami prostredia. Vnútorná energia závisí od kinetickej a potenciálnej energie častíc a nezávisí od polohy samotného telesa.

U = Ek + Ep

Vnútorná energia sa mení s teplotou. Molekulárna kinetická teória to vysvetľuje zmenou rýchlosti pohybu častíc hmoty. Ak sa teplota tela zvýši, zvýši sa aj rýchlosť pohybu častíc, zväčší sa vzdialenosť medzi nimi. V dôsledku toho sa zvyšuje ich kinetická a potenciálna energia. Keď teplota klesne, dôjde k opačnému procesu.

Pre termodynamiku nie je dôležitejšie množstvo vnútornej energie, ale jej zmena. A môžete zmeniť vnútornú energiu prostredníctvom procesu prenosu tepla alebo vykonaním mechanickej práce.

Zmena vnútornej energie mechanickou prácou

Benjamin Rumfoord

Vnútorná energia telesa sa môže meniť vykonávaním mechanickej práce na tele. Ak sa na telese pracuje, mechanická energia sa premieňa na vnútornú energiu. A ak prácu vykonáva telo, potom sa jeho vnútorná energia zmení na mechanickú energiu.

Takmer do konca 19. storočia sa verilo, že existuje látka bez tiaže – kalorická, ktorá prenáša teplo z tela do tela. Čím viac kalórií do tela pritečie, tým bude teplejšie a naopak.

V roku 1798 však anglo-americký vedec gróf Benjamin Rumford začal pochybovať o teórii kalórií. Dôvodom bolo zahrievanie hlavne zbraní počas vŕtania. Naznačil, že príčinou zahrievania je mechanická práca, ktorá sa vykonáva počas trenia vrtáka o hlaveň.

A Rumfoord uskutočnil experiment. Na zvýšenie trecej sily vzali tupú vŕtačku a samotný sud umiestnili do suda s vodou. Na konci tretej hodiny vŕtania začala voda v sude vrieť. To znamenalo, že hlaveň pri výkone dostávala teplo mechanická práca nad tým.

Prenos tepla

Prenos tepla je fyzikálny proces prenosu tepelnej energie (tepla) z jedného telesa do druhého, a to buď priamym kontaktom alebo cez deliacu priečku. Spravidla sa teplo prenáša z teplejšieho telesa na chladnejšie. Tento proces končí, keď systém dosiahne stav termodynamickej rovnováhy.

Energia, ktorú telo prijme alebo odovzdá pri prenose tepla, sa nazýva množstvo tepla .

Podľa spôsobu prenosu tepla možno výmenu tepla rozdeliť na 3 typy: tepelná vodivosť, konvencia, tepelné žiarenie.

Tepelná vodivosť

Ak medzi telesami alebo časťami telies existuje teplotný rozdiel, potom medzi nimi nastane proces prenosu tepla. Tepelná vodivosť je proces prenosu vnútornej energie z viac zohriateho telesa (alebo jeho časti) do menej zohriateho telesa (alebo jeho časti).

Napríklad zahrievaním jedného konca oceľovej tyče nad ohňom po chvíli pocítime, že sa ohrieva aj jej druhý koniec.

Sklenenú tyčinku, ktorej jeden koniec je rozpálený do červena, bez problémov uchytíme za druhý koniec bez toho, aby sme sa popálili. Ale ak sa pokúsime urobiť rovnaký experiment so železnou tyčou, neuspejeme.

Rôzne látky vedú teplo rôzne. Každý z nich má svoj vlastný súčiniteľ tepelnej vodivosti, alebo vodivosťčíselne sa rovná množstvu tepla, ktoré prejde vzorkou s hrúbkou 1 m, s plochou 1 m 2 za 1 sekundu. Jednotkou teploty je 1K.

Kovy vedú teplo najlepšie. Túto ich vlastnosť využívame v bežnom živote, varení jedla v kovových hrncoch alebo na panviciach. Ruky by sa im však nemali zahrievať. Preto sú vyrobené z materiálov so zlou tepelnou vodivosťou.

Tepelná vodivosť kvapalín je nižšia. A plyny majú zlú tepelnú vodivosť.

Zvieracia srsť je tiež zlým vodičom tepla. Vďaka tomu sa v horúcom počasí neprehrievajú a v chladnom počasí nezamŕzajú.

dohovoru

Bežne sa teplo prenáša prúdmi a prúdmi plynu alebo kvapaliny. IN pevné látky neexistuje konvencia.

Ako vzniká konvencia v kvapaline? Keď postavíme kanvicu s vodou na oheň, spodná vrstva Kvapalina sa zahrieva, jej hustota klesá, pohybuje sa nahor. Na jej miesto nastupuje chladnejšia vrstva vody. Po určitom čase sa aj zahreje a aj vymení miesta s chladnejšou vrstvou. Atď.

Podobný proces prebieha v plynoch. Nie je náhoda, že vykurovacie radiátory sú umiestnené v spodnej časti miestnosti. Ohriaty vzduch totiž vždy stúpa na vrchná časť izby. A tá nižšia, studená, naopak, padá. Potom sa zahreje a opäť stúpa a vrchná vrstva Počas tejto doby sa ochladí a klesne.

Konvencia môže byť prirodzená alebo vynútená.

V atmosfére sa neustále vyskytujú prirodzené konvencie. V dôsledku toho dochádza k neustálemu pohybu teplých vzduchových hmôt nahor a studených - nadol. V dôsledku toho vzniká vietor, mraky a iné prírodné javy.

Keď prirodzená konvencia nestačí, používam vynútenú konvenciu. Napríklad prúdy teplého vzduchu sa pohybujú v miestnosti pomocou lopatiek ventilátora.

Tepelné žiarenie

Slnko ohrieva Zem. V tomto prípade nedochádza k prenosu tepla ani konvencii. Prečo sa teda telá zahrievajú?

Faktom je, že Slnko je zdrojom tepelného žiarenia.

Tepelné žiarenie - Ide o elektromagnetické žiarenie vznikajúce z vnútornej energie tela. Všetky telesá okolo nás vyžarujú tepelnú energiu. Môže to byť viditeľné svetlo zo stolovej lampy alebo neviditeľné zdroje ultrafialového, infračerveného alebo gama žiarenia.

Telá však robia viac, než len vyžarujú teplo. Tiež ho absorbujú. Niektorí vo väčšej, iní v menšej miere. Okrem toho sa tmavé telesá zahrievajú a ochladzujú rýchlejšie ako svetlé. V horúcom počasí sa snažíme nosiť svetlé oblečenie, pretože absorbuje menej tepla ako tmavé. Auto tmavej farby sa na slnku zohreje oveľa rýchlejšie ako vedľa stojace auto svetlej farby.

Táto vlastnosť látok rôzne absorbovať a vyžarovať teplo sa využíva pri vytváraní systémov nočného videnia, systémov navádzania rakiet atď.