Za dolgo časa Med fiziki in predstavniki drugih znanosti je bil način, kako opisati, kaj so opazili med svojimi poskusi. Pomanjkanje konsenza in prisotnosti velika količina izrazi, vzeti iz zraka, so povzročili zmedo in nesporazume med kolegi. Sčasoma je vsaka veja fizike dobila svoje uveljavljene definicije in merske enote. Tako so nastali termodinamični parametri, ki pojasnjujejo večino makroskopskih sprememb v sistemu.

Opredelitev

Parametri stanja ali termodinamični parametri so številne fizikalne količine, ki lahko skupaj in vsaka posebej označujejo opazovani sistem. Ti vključujejo koncepte, kot so:

• temperatura in tlak;
• koncentracija, magnetna indukcija;
• entropija;
• entalpija;
• Gibbsove in Helmholtzeve energije ter mnoge druge.

Obstajajo intenzivni in ekstenzivni parametri. Ekstenzivne so tiste, ki so neposredno odvisne od mase termodinamičnega sistema, intenzivne pa tiste, ki jih določajo drugi kriteriji. Vsi parametri niso enako neodvisni, zato je za izračun ravnotežnega stanja sistema potrebno določiti več parametrov hkrati.

Poleg tega obstaja nekaj terminoloških nesoglasij med fiziki. Enako fizična lastnost različni avtorji ga lahko imenujejo proces, koordinata, količina, parameter ali celo preprosto lastnost. Vse je odvisno od tega, v kakšni vsebini jo znanstvenik uporablja. Toda v nekaterih primerih obstajajo standardizirana priporočila, ki se jih morajo držati pripravljavci dokumentov, učbenikov ali ukazov.

Razvrstitev

Obstaja več klasifikacij termodinamičnih parametrov. Torej, na podlagi prve točke je že znano, da lahko vse količine razdelimo na:

• ekstenzivni (aditivni) - takšne snovi upoštevajo zakon dodajanja, to je, da je njihova vrednost odvisna od količine sestavin;
• intenzivni - niso odvisni od tega, koliko snovi je bilo vzeto za reakcijo, saj se med interakcijo izravnajo.

Glede na pogoje, v katerih se nahajajo snovi, ki sestavljajo sistem, lahko količine razdelimo na tiste, ki opisujejo fazne reakcije in kemijske reakcije. Poleg tega je treba upoštevati reaktante. Lahko so:

• termomehanski;
• termofizikalna;
• termokemični.

Poleg tega vsak termodinamični sistem opravlja določeno funkcijo, tako da lahko parametri karakterizirajo delo ali toploto, pridobljeno kot rezultat reakcije, in omogočajo tudi izračun energije, potrebne za prenos mase delcev.

Spremenljivke stanja

Stanje katerega koli sistema, vključno s termodinamičnim, je mogoče določiti s kombinacijo njegovih lastnosti ali značilnosti. Vse spremenljivke, ki so povsem določene le v določenem trenutku in niso odvisne od tega, kako natančno je sistem prišel v to stanje, imenujemo termodinamični parametri (spremenljivke) stanja ali funkcije stanja.

Sistem velja za stacionarnega, če spremenljive funkcije se sčasoma ne spreminjajo. Ena možnost je termodinamično ravnotežje. Vsaka, tudi najmanjša sprememba v sistemu je že proces in lahko vsebuje od enega do več spremenljivih termodinamičnih parametrov stanja. Zaporedje, v katerem se stanja sistema nenehno spreminjajo eno v drugo, se imenuje "procesna pot".

Na žalost še vedno obstaja zmeda s pojmi, saj je lahko ista spremenljivka neodvisna ali rezultat dodajanja več sistemskih funkcij. Zato lahko izraze, kot so "stanje funkcija", "state parameter", "state variable" obravnavamo kot sinonime.

Temperatura

Eden od neodvisnih parametrov stanja termodinamičnega sistema je temperatura. Je količina, ki označuje količino kinetične energije na enoto delcev v termodinamičnem sistemu v stanju ravnovesja.

Če se opredelitve pojma lotimo z vidika termodinamike, potem je temperatura količina, ki je obratno sorazmerna s spremembo entropije po dodajanju toplote (energije) sistemu. Ko je sistem v ravnovesju, je vrednost temperature enaka za vse njegove "udeležence". Če pride do temperaturne razlike, energijo oddaja bolj vroče telo, absorbira pa jo hladnejše.

Obstajajo termodinamični sistemi, v katerih se ob dodajanju energije nered (entropija) ne poveča, ampak se, nasprotno, zmanjša. Poleg tega, če tak sistem deluje s telesom, katerega temperatura je višja od njegove lastne, bo svojo kinetično energijo oddal temu telesu in ne obratno (na podlagi zakonov termodinamike).

Pritisk

Tlak je količina, ki označuje silo, ki deluje na telo pravokotno na njegovo površino. Za izračun tega parametra je potrebno celotno količino sile razdeliti na površino predmeta. Enote te sile bodo paskali.

Pri termodinamičnih parametrih plin zasede celotno prostornino, ki mu je na voljo, poleg tega pa se molekule, ki ga sestavljajo, nenehno kaotično premikajo in trčijo med seboj ter v posodo, v kateri se nahajajo. Prav ti udarci povzročijo pritisk snovi na stene posode ali na telo, ki je vloženo v plin. Sila je ravno zaradi nepredvidljivega gibanja molekul enakomerno porazdeljena v vse smeri. Za povečanje tlaka je potrebno povečati temperaturo sistema in obratno.

Notranja energija

Glavni termodinamični parametri, ki so odvisni od mase sistema, vključujejo notranjo energijo. Sestavljena je iz kinetične energije, ki jo povzroči gibanje molekul snovi, in potencialne energije, ki se pojavi, ko molekule medsebojno delujejo.

Ta parameter je nedvoumen. To pomeni, da je vrednost notranje energije konstantna vsakič, ko se sistem znajde v v pravem stanju, ne glede na to, kako je bilo (stanje) doseženo.

Notranje energije je nemogoče spremeniti. Sestavljena je iz toplote, ki jo ustvari sistem, in dela, ki ga povzroči. Pri nekaterih procesih se upoštevajo tudi drugi parametri, kot so temperatura, entropija, tlak, potencial in število molekul.

Entropija

Drugi zakon termodinamike pravi, da se entropija ne zmanjšuje. Druga formulacija trdi, da energija nikoli ne prehaja iz telesa pri nižji temperaturi v telo pri višji temperaturi. To pa zanika možnost ustvarjanja večnega giba, saj je nemogoče vso energijo, ki je na voljo telesu, prenesti v delo.

Sam koncept "entropije" je bil uveden v uporabo sredi 19. stoletja. Potem je bilo to zaznano kot sprememba količine toplote v temperaturo sistema. Toda takšna definicija je primerna samo za procese, ki so nenehno v stanju ravnovesja. Iz tega lahko potegnemo naslednji sklep: če se temperatura teles, ki sestavljajo sistem, nagiba k nič, potem bo entropija enaka nič.

Entropija kot termodinamični parameter stanja plina se uporablja kot pokazatelj mere neurejenosti, kaotičnega gibanja delcev. Uporablja se za določanje porazdelitve molekul v določenem območju in posodi ali za izračun elektromagnetne sile interakcije med ioni snovi.

Entalpija

Entalpija je energija, ki se lahko pretvori v toploto (ali delo) pri konstantnem tlaku. To je potencial sistema, ki je v stanju ravnovesja, če raziskovalec pozna raven entropije, število molekul in tlak.

V primeru, da je naveden termodinamični parameter idealen plin, namesto entalpije se uporablja formulacija "energija razširjenega sistema". Da si boste to vrednost lažje razložili, si lahko zamislite posodo, napolnjeno s plinom, ki je enakomerno stisnjen z batom (npr. motor notranje zgorevanje). V tem primeru bo entalpija enaka ne le notranji energiji snovi, temveč tudi delu, ki ga je treba opraviti, da se sistem pripelje v zahtevano stanje. Spreminjanje tega parametra je odvisno le od začetnega in končnega stanja sistema, pot, po kateri bo dosežen, pa ni pomembna.

Gibbsova energija

Termodinamični parametri in procesi so večinoma povezani z energijskim potencialom snovi, ki sestavljajo sistem. Tako je Gibbsova energija enakovredna celotni kemijski energiji sistema. Prikazuje, do kakšnih sprememb bo prišlo med kemijskimi reakcijami in ali bodo snovi sploh medsebojno delovale.

Spreminjanje količine energije in temperature sistema med reakcijo vpliva na koncepte, kot sta entalpija in entropija. Razliko med tema dvema parametroma bomo imenovali Gibbsova energija ali izobarično-izotermni potencial.

Najmanjšo vrednost te energije opazimo, če je sistem v ravnotežju, njegov tlak, temperatura in količine snovi pa ostanejo nespremenjeni.

Helmholtzova energija

Helmholtzova energija (po drugih virih - preprosto prosta energija) predstavlja potencialno količino energije, ki jo bo sistem izgubil pri interakciji s telesi zunaj njega.

Koncept Helmholtzove proste energije se pogosto uporablja za določanje največjega dela, ki ga lahko opravi sistem, to je, koliko toplote se bo sprostilo, ko snovi prehajajo iz enega stanja v drugo.

Če je sistem v stanju termodinamičnega ravnotežja (to pomeni, da ne opravlja nobenega dela), potem je raven proste energije na minimumu. To pomeni, da tudi drugih parametrov, kot so temperatura, tlak in število delcev, ne pride do sprememb.

Uvod. 2

Termodinamika. Splošni koncept. 3

Koncept termodinamičnega sistema.. 4

Vrste termodinamičnih sistemov.. 6

Termodinamični procesi.. 7

Reverzibilni in ireverzibilni procesi.. 7

Notranja energija sistema.. 10

Ničelni zakon termodinamike.. 11

Prvi zakon termodinamike.. 12

Drugi zakon termodinamike.. 14

Tretji zakon termodinamike... 16

Posledice. 17

Nedosegljivost absolutne ničelne temperature. 17

Obnašanje termodinamičnih koeficientov. 17

Uvod

Nenehno se srečujemo ne le z mehanskim gibanjem, temveč tudi s toplotnimi pojavi, ki so povezani s spremembami telesne temperature ali prehajanjem snovi v različna agregatna stanja – tekoče, plinasto ali trdno.

Toplotni procesi so zelo pomembni za obstoj življenja na Zemlji, saj so beljakovine sposobne vitalne aktivnosti le v določenem temperaturnem območju. Življenje na Zemlji je odvisno od temperature okolju.

Ljudje so dosegli relativno neodvisnost od okolja, ko so se naučili kuriti ogenj. To je bil eden od največja odkritja ob zori človeštva.

Termodinamika je veda o toplotnih pojavih, ki ne upošteva molekulske zgradbe teles. V tem eseju bomo obravnavali zakone termodinamike in njihovo uporabo.

Termodinamika. Splošni koncept

Načela termodinamike so niz postulatov, ki so osnova termodinamike. Te določbe so bile uvedene kot rezultat znanstvena raziskava in so bili eksperimentalno dokazani. Sprejeti so kot postulati, tako da je termodinamiko mogoče konstruirati aksiomatsko.

Potreba po načelih termodinamike je posledica dejstva, da termodinamika opisuje makroskopske parametre sistemov brez posebnih predpostavk glede njihove mikroskopske strukture. Statistična fizika se ukvarja z vprašanji notranje strukture.

Načela termodinamike so neodvisna, kar pomeni, da nobenega od njih ni mogoče izpeljati iz drugih načel.

Seznam principov termodinamike

· Prvi zakon termodinamike je zakon o ohranitvi energije, ki se uporablja za termodinamične sisteme.

· Drugi zakon termodinamike omejuje smer termodinamičnih procesov in prepoveduje spontani prenos toplote z manj segretih teles na bolj segreta. Formulirano tudi kot zakon naraščajoče entropije.

· Tretji zakon termodinamike pove, kako se entropija obnaša blizu temperatur absolutne ničle.

· Ničelni (ali splošni) zakon termodinamike se včasih imenuje princip, po katerem zaprt sistem, ne glede na začetno stanje, na koncu pride v stanje termodinamičnega ravnotežja in ga ne more zapustiti sam.

Koncept termodinamičnega sistema

Termodinamični sistem je vsak fizični sistem, sestavljen iz veliko število delci-atomi in molekule, ki so podvrženi neskončnemu toplotnemu gibanju in medsebojno delujejo ter izmenjujejo energije. Takšni termodinamični sistemi, in to najenostavnejši, so plini, katerih molekule so podvržene naključnemu translacijskemu in rotacijsko gibanje in med trki izmenjujejo kinetično energijo. Trdne in tekoče snovi so tudi termodinamični sistemi.

Molekule trdnih snovi izvajajo naključne vibracije okoli svojih ravnotežnih položajev, izmenjava energije med molekulami nastane zaradi njihove nenehne interakcije, zaradi česar se premik ene molekule iz njenega ravnotežnega položaja takoj odrazi na lokaciji in hitrosti gibanja sosednjih. molekule. Ker je povprečna energija toplotnega gibanja molekul povezana s temperaturo, je temperatura najpomembnejša fizikalna količina, ki označuje različna stanja termodinamični sistemi. Poleg temperature je stanje takšnih sistemov določeno tudi s prostornino, ki jo zasedajo, in zunanji pritisk ali zunanje sile, ki delujejo na sistem.

Pomembna lastnina Termodinamični sistemi so obstoj ravnotežnih stanj, v katerih lahko ostanejo poljubno dolgo. Če na termodinamični sistem, ki je v enem od ravnotežnih stanj, deluje zunanji vpliv in se nato ustavi, potem sistem spontano preide v novo ravnotežno stanje. Vendar je treba poudariti, da je težnja po prehodu v ravnotežno stanje vedno in neprekinjeno aktivna, tudi izven časa, ko je sistem izpostavljen zunanjim vplivom.

Ta težnja oziroma natančneje stalni obstoj procesov, ki vodijo do doseganja ravnotežnega stanja, je najpomembnejša lastnost termodinamičnih sistemov.

Stanja izoliranega termodinamičnega sistema, ki kljub odsotnosti zunanjih vplivov ne trajajo v končnih časovnih obdobjih, se imenujejo neravnotežna. Sistem, sprva v neravnotežnem stanju, čez čas preide v ravnovesno stanje. Čas prehoda iz neravnovesnega stanja v ravnotežno stanje imenujemo relaksacijski čas. Povratni prehod iz ravnotežnega stanja v neravnovesno stanje je mogoče izvesti z zunanjimi vplivi na sistem.

Zlasti stanje sistema z različnimi temperaturami na različnih mestih je neravnovesno; izenačitev t 0 v plinih, trdnih snoveh in tekočinah je prehod teh teles v ravnotežno stanje z enakim t 0 v prostornini telo. Drug primer neravnovesnega stanja je mogoče podati z upoštevanjem dvofaznih sistemov, sestavljenih iz tekočine in njenih hlapov. Če je nad površino tekočine v zaprti posodi nenasičena para, je stanje sistema neravnovesno: število molekul, ki uidejo iz tekočine na časovno enoto, je večje od števila molekul, ki se vrnejo iz pare v tekočino. v istem času. Posledično se sčasoma število molekul v parnem stanju povečuje, dokler se ne vzpostavi ravnotežno stanje.

Prehod iz ravnotežnega stanja v ravnotežno stanje se v večini primerov odvija neprekinjeno, hitrost tega prehoda pa je mogoče določiti z ustreznim zunanji vpliv gladko prilagajajo, zaradi česar je proces sprostitve zelo hiter ali zelo počasen. Na primer, z mehanskim mešanjem lahko znatno povečate hitrost izenačevanja temperature v tekočinah ali plinih; z ohlajanjem tekočine lahko zelo upočasnite proces difuzije snovi, ki je v njej raztopljena.

Osnovni parametri stanja termodinamičnih sistemov

Termodinamični sistem je skupek različnih teles, ki so sposobna energijske interakcije med seboj in z okoljem. Pri tem je lahko količina snovi stalna ali spremenljiva, telesa pa so lahko v različnih agregatnih stanjih (plinasto, tekoče ali trdno).

Okolje razumemo kot celoto vseh drugih teles, ki niso vključena v termodinamični sistem.

Termodinamični sistem se imenuje izolirana, če ni v interakciji z okoljem, zaprto- če se ta interakcija pojavi samo v obliki izmenjave energije in odprto- če z okoljem izmenjuje tako energijo kot snov. Imenuje se sprememba stanja termodinamičnega sistema kot posledica izmenjave energije z okoljem termodinamični proces.

Glavni parametri, ki označujejo procese medsebojnega preoblikovanja dela in toplote, so temperatura T, pritisk R in glasnost V.

Temperatura je merilo za intenzivnost gibanja molekul snovi. Bolj kinetična energija gibanje molekul, višja je temperatura. Temperatura, ki ustreza stanju popolnega mirovanja molekul plina, se šteje za absolutno nič. Ta točka je začetek

izračuni temperature na absolutni Kelvinovi lestvici (oznaka - T, TO). V tehniki se običajno uporablja celzijeva temperaturna lestvica (oznaka - t, °C), pri katerem je tališče ledu vzeto kot 0 °C, konstantno vrelišče vode pri normalnem atmosferskem tlaku pa 100 stopinj.

Pretvorba temperature iz stopinj Celzija v absolutno lestvico se izvede z uporabo formule

T=t+273,15K, (2,2)

Poleg tega je velikost stopinje Celzija enaka kelvinu: 1 °C = 1 K, tj.

Temperatura določa smer prenosa toplote in deluje kot merilo za segrevanje teles. Dva sistema, ki sta med seboj v toplotnem ravnovesju, imata enaki temperaturi.

Tlak plina. Po kinetični teoriji plin, ki se nahaja v zaprti posodi, pritiska na njene stene, kar je posledica silovitega delovanja molekul plina v naključnem gibanju. Tlak je opredeljen kot sila, ki deluje na enoto površine in se meri v paskalih (Pa = N/m2).

Vsota barometričnega (atmosferskega) in nadtlaka, ki ga povzroča plin na stene posode, je absolutni tlak:

Kje V- prostornina, ki jo zaseda plin, m3; M- masa plina v prostornini V, kg. Količina snovi, ki jo vsebuje enota prostornine, se imenuje

gostota plina ρ , kg/m3. Slučajno je vzajemno glede na specifično količino.

Stanje termodinamičnega sistema, za katerega so značilne konstantne vrednosti parametrov skozi čas in v celotni masi sistema, se imenuje ravnovesje. V sistemu v termodinamičnem ravnotežju ni pretoka toplote in snovi niti znotraj sistema niti med sistemom in okoljem. Ravnotežno stanje plina lahko izrazimo z enačbo f (R, V, T) = 0.

Idealen plin je plin, sestavljen iz molekul, katerih velikosti lahko zanemarimo in ki medsebojno ne interagirajo (ni potencialne interakcijske energije). Uvedba koncepta idealnega plina v termodinamiko omogoča pridobivanje enostavnejših analitičnih razmerij med parametri stanja. Izkušnje kažejo, da lahko te odvisnosti z določenim približkom uporabimo za preučevanje lastnosti realnih plinov.

Termodinamika je veda, ki preučuje splošne vzorce procesov, ki jih spremljajo sproščanje, absorpcija in transformacija energije. Kemijska termodinamika proučuje medsebojne pretvorbe kemične energije in njenih drugih oblik - toplote, svetlobe, elektrike itd., Ugotavlja kvantitativne zakonitosti teh prehodov, prav tako pa omogoča napovedovanje stabilnosti snovi v danih pogojih in njihove sposobnosti vstopa v določene kemične reakcije. Predmet termodinamičnega obravnavanja imenujemo termodinamični sistem ali preprosto sistem.

Sistem– vsak naravni objekt, sestavljen iz velikega števila molekul (strukturnih enot) in ločen od drugih naravnih objektov z resnično ali namišljeno mejno površino (vmesno površino).

Stanje sistema je skupek lastnosti sistema, ki nam omogočajo, da sistem definiramo z vidika termodinamike.

Vrste termodinamičnih sistemov:

JAZ. Po naravi izmenjave snovi in ​​energije z okoljem:

1. Izoliran sistem - ne izmenjuje niti snovi niti energije z okoljem (Δm = 0; ΔE = 0) - termos.

2. Zaprt sistem – ne izmenjuje snovi z okoljem, lahko pa izmenjuje energijo (zaprta bučka z reagenti).

3. Odprt sistem – lahko izmenjuje z okoljem, tako snov kot energijo (človeško telo).

II. Po agregatnem stanju:

1. Homogena – odsotnost nenadnih sprememb fizičnega in kemijske lastnosti med prehodom iz enega področja sistema v drugega (sestavljen iz ene faze).

2. Heterogeni - dva ali več homogenih sistemov v enem (sestoji iz dveh ali več faz).

Faza- to je del sistema, ki je v vseh točkah homogen po sestavi in ​​lastnostih ter ločen od drugih delov sistema z vmesnikom. Primer homogenega sistema je vodna raztopina. Če pa je raztopina nasičena in so na dnu posode kristali soli, potem je obravnavani sistem heterogen (obstaja fazna meja). Drug primer homogenega sistema je preprosta voda, vendar je voda, v kateri plava led, heterogen sistem.

Fazni prehod - fazne transformacije (taljenje ledu, vretje vode).

Termodinamični proces- prehod termodinamičnega sistema iz enega stanja v drugo, kar je vedno povezano z neravnovesjem sistema.

Klasifikacija termodinamičnih procesov:

7. Izotermično - konstantna temperatura– T = konst

8. Izobarični - konstantni tlak – p = konst

9. Izohorično - konstanten volumen – V = konst

Standardno stanje je stanje sistema, pogojno izbrano kot standard za primerjavo.

Za plinska faza- to je stanje kemično čiste snovi v plinski fazi pod standardnim tlakom 100 kPa (do leta 1982 - 1 standardna atmosfera, 101.325 Pa, 760 mm Hg), kar pomeni prisotnost lastnosti idealnega plina.

Za čista faza, zmes ali topilo v tekočini ali trdni snovi agregatno stanje- to je stanje kemično čiste snovi v tekoči ali trdni fazi pri standardnem tlaku.

Za rešitev- to je stanje raztopljene snovi s standardno molalnostjo 1 mol/kg pod standardnim tlakom ali standardno koncentracijo, ki temelji na pogojih, da je raztopina neskončno razredčena.

Za kemično čista snov- to je snov v jasno določenem agregatnem stanju pod jasno določenim, a poljubnim standardnim tlakom.

Pri opredelitvi standardnega stanja standardna temperatura ni vključena, čeprav pogosto govorijo o standardni temperaturi, ki je 25 °C (298,15 K).

2.2. Osnovni pojmi termodinamike: notranja energija, delo, toplota

Notranja energija U- celotno zalogo energije, vključno z gibanjem molekul, nihanjem vezi, gibanjem elektronov, jeder itd., tj. vse vrste energije razen kinetične in potencialne energije sistemov kot celote.

Nemogoče je določiti vrednost notranje energije katerega koli sistema, vendar je mogoče določiti spremembo notranje energije ΔU, ki se pojavi v določenem procesu med prehodom sistema iz enega stanja (z energijo U 1) v drugo (z energijo U 2):

ΔU je odvisna od vrste in količine zadevne snovi ter pogojev njenega obstoja.

Skupna notranja energija reakcijskih produktov se razlikuje od celotne notranje energije izhodnih snovi, ker Med reakcijo pride do prestrukturiranja elektronskih lupin atomov medsebojno delujočih molekul.

Termodinamika je veda, ki preučuje toplotne pojave, ki se pojavljajo v telesih, ne da bi jih povezovala z molekularno strukturo snovi.

V termodinamiki velja, da vsi toplotni procesi v telesih so označeni samo z makroskopskimi parametri- tlak, prostornina in temperatura. In ker jih ni mogoče uporabiti za posamezne molekule ali atome, se za razliko od molekularno-kinetične teorije v termodinamiki ne upošteva molekularna struktura snovi v toplotnih procesih.

Vsi koncepti termodinamike so oblikovani kot posplošitev dejstev, opaženih med poskusi. Zaradi tega se imenuje fenomenološka (opisna) teorija toplote.

Termodinamični sistemi

Termodinamika opisuje toplotne procese, ki se pojavljajo v makroskopskih sistemih. Takšni sistemi so sestavljeni iz ogromnega števila delcev - molekul in atomov, in se imenujejo termodinamični.

Termodinamični sistem se lahko šteje vsak predmet, ki ga lahko vidimo s prostim očesom ali s pomočjo mikroskopov, teleskopov in drugih optičnih instrumentov. Glavna stvar je, da dimenzije sistema v prostoru in čas njegovega obstoja omogočajo meritve njegovih parametrov - temperature, tlaka, mase, kemična sestava elementov ipd., z instrumenti, ki se ne odzivajo na vpliv posameznih molekul (manometri, termometri ipd.).

Za kemike je termodinamični sistem mešanica kemičnih snovi, ki medsebojno delujejo v procesu kemijska reakcija. Astrofiziki bodo tak sistem imenovali nebesno telo. Mešanica goriva in zraka v avtomobilskem motorju, Zemlja, naše telo, pisalno pero, zvezek, stroj itd. so tudi termodinamični sistemi.

Vsak termodinamični sistem je od svojega okolja ločen z mejami. Lahko so prave – steklene stene epruvete z kemična, telo valja v motorju itd. Lahko pa so pogojni, ko na primer preučujejo nastanek oblaka v ozračju.

Če se tak sistem ne izmenjuje z zunanje okolje niti energija niti snov, potem se imenuje izolirana oz zaprto .

Če sistem izmenjuje energijo z zunanjim okoljem, vendar ne izmenjuje snovi, potem se imenuje zaprto .

Odprt sistem z zunanjim okoljem izmenjuje energijo in snov.

Termodinamično ravnotežje

Ta koncept je bil uveden tudi v termodinamiko kot posplošitev eksperimentalnih rezultatov.

Termodinamično ravnotežje imenujejo stanje sistema, v katerem se vse njegove makroskopske količine - temperatura, tlak, prostornina in entropija - ne spremenijo v času, če je sistem izoliran. Vsak zaprt termodinamični sistem lahko spontano preide v takšno stanje, če vsi zunanji parametri ostanejo konstantni.

Najenostavnejši primer sistema v stanju termodinamičnega ravnovesja je termovka z vročim čajem. Temperatura v njej je enaka na kateri koli točki tekočine. Čeprav termos lahko imenujemo izoliran sistem le približno.

Vsak zaprt termodinamični sistem spontano teži k termodinamičnemu ravnotežju, če se zunanji parametri ne spremenijo.

Termodinamični proces

Če se vsaj eden od makroskopskih parametrov spremeni, potem pravijo, da sistem doživlja termodinamični proces . Do takega procesa lahko pride, če se spremenijo zunanji parametri ali začne sistem sprejemati ali oddajati energijo. Posledično preide v drugo stanje.

Spomnimo se primera čaja v termovki. Če v čaj damo kos ledu in termos zapremo, se takoj pojavi razlika v temperaturi. različne dele tekočine. Tekočina v termovki bo težila k izenačitvi temperatur. Iz območij z več visoka temperatura toplota se bo prenašala tja, kjer je temperatura nižja. To pomeni, da se bo zgodil termodinamični proces. Sčasoma bo temperatura čaja v termovki spet enaka. Vendar se bo že razlikovala od začetne temperature. Stanje sistema se je spremenilo, ker se je spremenila njegova temperatura.

Termodinamični proces se pojavi, ko se pesek, ki je bil segret na plaži na vroč dan, ponoči ohladi. Do jutra njegova temperatura pade. Toda takoj, ko sonce vzide, se bo proces ogrevanja znova začel.

Notranja energija

Eden glavnih konceptov termodinamike je notranja energija .

Vsa makroskopska telesa imajo notranjo energijo, ki je vsota kinetičnih in potencialnih energij vseh delcev (atomov in molekul), ki sestavljajo telo. Ti delci medsebojno delujejo le med seboj in ne z delci okolja. Notranja energija je odvisna od kinetične in potencialne energije delcev in ni odvisna od položaja samega telesa.

U = Ek +Ep

Notranja energija se spreminja s temperaturo. Molekularno kinetična teorija to pojasnjuje s spreminjanjem hitrosti gibanja delcev snovi. Če se temperatura telesa poveča, se poveča tudi hitrost gibanja delcev, razdalja med njimi postane večja. Posledično se povečata njihova kinetična in potencialna energija. Ko se temperatura zniža, pride do obratnega procesa.

Za termodinamiko ni pomembnejša količina notranje energije, temveč njena sprememba. In notranjo energijo lahko spremenite s procesom prenosa toplote ali z izvajanjem mehanskega dela.

Sprememba notranje energije z mehanskim delom

Benjamin Rumfoord

Notranjo energijo telesa lahko spremenimo z mehanskim delom na telesu. Če na telo poteka delo, se mehanska energija pretvori v notranjo energijo. In če delo opravi telo, se njegova notranja energija spremeni v mehansko.

Skoraj do konca 19. stoletja je veljalo, da obstaja breztežnostna snov – kalorik, ki prenaša toploto s telesa na telo. Več kalorij kot priteče v telo, toplejše bo in obratno.

Leta 1798 pa je anglo-ameriški znanstvenik grof Benjamin Rumford začel dvomiti o teoriji kalorij. Razlog za to je bilo segrevanje topovskih cevi med vrtanjem. Predlagal je, da je vzrok segrevanja mehansko delo, ki se izvaja med trenjem svedra ob cev.

In Rumfoord je izvedel poskus. Da bi povečali silo trenja, so vzeli dolgočasen sveder in sod postavili v sod z vodo. Ob koncu tretje ure vrtanja je voda v sodu začela vreti. To je pomenilo, da je cev med delovanjem prejela toploto mehansko deločez to.

Prenos toplote

Prenos toplote je fizikalni proces prenosa toplotne energije (toplote) z enega telesa na drugo, bodisi z neposrednim stikom ali preko pregradne stene. Toplota se praviloma prenaša s toplejšega telesa na hladnejše. Ta proces se konča, ko sistem doseže stanje termodinamičnega ravnovesja.

Energija, ki jo telo prejme ali odda pri prenosu toplote, se imenuje količino toplote .

Glede na način prenosa toplote lahko izmenjavo toplote razdelimo na 3 vrste: toplotna prevodnost, konvencija, toplotno sevanje.

Toplotna prevodnost

Če med telesi ali deli teles obstaja temperaturna razlika, se bo med njimi zgodil proces prenosa toplote. Toplotna prevodnost je proces prenosa notranje energije z bolj segretega telesa (ali njegovega dela) na manj segreto telo (ali njegov del).

Če na primer segrevamo en konec jeklene palice nad ognjem, bomo čez nekaj časa začutili, da se tudi njen drugi konec segreva.

Stekleno paličico, katere en konec je razbeljen, zlahka držimo za drugi konec, ne da bi se opekli. Če pa poskušamo narediti enak poskus z železno palico, nam ne bo uspelo.

Različne snovi različno prevajajo toploto. Vsak od njih ima svojega koeficient toplotne prevodnosti, oz prevodnost, številčno enaka količini toplote, ki prehaja skozi vzorec debeline 1 m s površino 1 m 2 v 1 sekundi. Enota za temperaturo je 1 K.

Kovine najbolje prevajajo toploto. To njihovo lastnost uporabljamo v vsakdanjem življenju, pri kuhanju hrane v kovinskih loncih ali ponvah. Toda njihove roke ne smejo biti vroče. Zato so izdelani iz materialov s slabo toplotno prevodnostjo.

Toplotna prevodnost tekočin je manjša. In plini imajo slabo toplotno prevodnost.

Tudi živalski kožuh je slab prevodnik toplote. Zahvaljujoč temu se v vročem vremenu ne pregrejejo in v hladnem ne zmrznejo.

konvencija

Po dogovoru se toplota prenaša s curki in tokovi plina ali tekočine. IN trdne snovi konvencije ni.

Kako pride do konvencije v tekočini? Ko postavimo kotliček vode na ogenj, spodnji sloj Tekočina se segreje, njena gostota se zmanjša, premika se navzgor. Na njegovo mesto pride hladnejša plast vode. Čez nekaj časa se bo tudi segrela in tudi zamenjala mesto s hladnejšo plastjo. itd.

Podoben proces poteka v plinih. Ni naključje, da so radiatorji za ogrevanje nameščeni v spodnjem delu prostora. Navsezadnje se ogrevan zrak vedno dvigne zgornji del sobe. In spodnji, hladni, nasprotno, pade. Nato se segreje in spet dvigne ter zgornji sloj V tem času se ohladi in potone.

Konvencija je lahko naravna ali prisilna.

Naravna konvencija se nenehno pojavlja v ozračju. Posledica tega je stalno gibanje toplih zračnih mas navzgor in hladnih - navzdol. Posledično nastanejo veter, oblaki in drugi naravni pojavi.

Ko naravna konvencija ni dovolj, uporabim prisilno konvencijo. Na primer, tokovi toplega zraka se premikajo v prostoru z uporabo lopatic ventilatorja.

Toplotno sevanje

Sonce ogreva Zemljo. V tem primeru ne pride niti do prenosa toplote niti do konvencije. Zakaj torej telesa dobivajo toploto?

Dejstvo je, da je Sonce vir toplotnega sevanja.

Toplotno sevanje - To je elektromagnetno sevanje, ki izhaja iz notranje energije telesa. Vsa telesa okoli nas oddajajo toplotno energijo. To je lahko vidna svetloba namizne svetilke ali nevidni viri ultravijoličnih, infrardečih ali gama žarkov.

Toda telesa naredijo več kot le oddajajo toploto. Prav tako jo absorbirajo. Nekateri v večji, drugi v manjši meri. Poleg tega se temna telesa segrevajo in ohlajajo hitreje kot svetla. V vročem vremenu poskušajmo nositi svetla oblačila, saj absorbirajo manj toplote kot temna oblačila. Temno obarvan avto se na soncu segreje veliko hitreje kot svetel avto, ki stoji poleg njega.

Ta lastnost snovi, da različno absorbirajo in oddajajo toploto, se uporablja pri ustvarjanju sistemov za nočno opazovanje, sistemov za navajanje raket itd.