Thermodynamica is een belangrijke tak van de natuurkunde. We kunnen gerust stellen dat zijn prestaties hebben geleid tot het ontstaan van het technologische tijdperk en de loop van de menselijke geschiedenis in de afgelopen 300 jaar grotendeels hebben bepaald. Het artikel bespreekt de eerste, tweede en derde wet van de thermodynamica en hun toepassing in de praktijk.
Wat is thermodynamica?
Laten we, voordat we de wetten van de thermodynamica formuleren, eens kijken wat dit deel van de natuurkunde doet.
Het woord "thermodynamica" is van Griekse oorsprong en betekent "beweging door warmte". Dat wil zeggen, deze tak van de natuurkunde houdt zich bezig met de studie van alle processen, waardoor thermische energie wordt omgezet in mechanische beweging en vice versa.
De basiswetten van de thermodynamica werden in het midden van de 19e eeuw geformuleerd. De wetenschap van "beweging en warmte" beschouwt het gedrag van het hele systeem als geheel, bestudeert de verandering in zijn macroscopische parameters - temperatuur, druk en volume, en besteedt geen aandacht aan de microscopische structuur. Bovendien speelt de eerste een fundamentele rol bij het formuleren van wettenthermodynamica in de natuurkunde. Het is merkwaardig op te merken dat ze uitsluitend zijn afgeleid van experimentele waarnemingen.
Het concept van een thermodynamisch systeem
Het betekent elke groep atomen, moleculen of andere elementen die als een geheel worden beschouwd. Alle drie de wetten zijn geformuleerd voor het zogenaamde thermodynamische systeem. Voorbeelden zijn: de atmosfeer van de aarde, elk levend organisme, het gasmengsel in een verbrandingsmotor, enz.
Alle systemen in de thermodynamica behoren tot een van de drie typen:
- Open. Ze wisselen zowel warmte als materie uit met de omgeving. Als voedsel bijvoorbeeld in een pot op open vuur wordt gekookt, is dit een levendig voorbeeld van een open systeem, omdat de pot energie ontvangt van de externe omgeving (vuur), terwijl deze zelf energie uitstra alt in de vorm van warmte, en er verdampt ook water uit (metabolisme).
- Gesloten. In dergelijke systemen is er geen uitwisseling van materie met de omgeving, hoewel de uitwisseling van energie wel plaatsvindt. Terugkerend naar het vorige geval: als je de waterkoker afdekt met een deksel, krijg je een gesloten systeem.
- Geïsoleerd. Dit is een soort thermodynamische systemen die geen materie of energie uitwisselen met de omringende ruimte. Een voorbeeld is een thermoskan met hete thee.
Thermodynamische temperatuur
Dit concept betekent de kinetische energie van de deeltjes die de omringende lichamen vormen, die de snelheid weerspiegeltwillekeurige beweging van deeltjes. Hoe groter het is, hoe hoger de temperatuur. Door de kinetische energie van het systeem te verminderen, koelen we het dus af.
Dit concept betekent de kinetische energie van de deeltjes die de omringende lichamen vormen, die de snelheid van de chaotische beweging van deeltjes weerspiegelt. Hoe groter het is, hoe hoger de temperatuur. Door de kinetische energie van het systeem te verminderen, koelen we het dus af.
Thermodynamische temperatuur wordt uitgedrukt in SI (International System of Units) in Kelvin (ter ere van de Britse wetenschapper William Kelvin, die deze schaal voor het eerst voorstelde). Het begrijpen van de eerste, tweede en derde wet van de thermodynamica is onmogelijk zonder een definitie van temperatuur.
Een deling van één graad op de Kelvin-schaal komt ook overeen met één graad Celsius. De conversie tussen deze eenheden wordt uitgevoerd volgens de formule: TK =TC + 273, 15, waarbij TK en TC - temperaturen in respectievelijk Kelvin en graden Celsius.
De eigenaardigheid van de Kelvin-schaal is dat deze geen negatieve waarden heeft. Nul erin (TC=-273, 15 oC) komt overeen met de toestand waarin de thermische beweging van de deeltjes van het systeem volledig afwezig is, ze lijken "bevroren" te zijn.
Behoud van energie en de 1e wet van de thermodynamica
In 1824 deed Nicolas Léonard Sadi Carnot, een Franse ingenieur en natuurkundige, een gewaagde suggestie die niet alleen leidde tot de ontwikkeling van de natuurkunde, maar ook een belangrijke stap werd in de verbetering van de technologie. Zijnkan als volgt worden geformuleerd: "Energie kan niet worden gecreëerd of vernietigd, het kan alleen van de ene toestand naar de andere worden overgedragen."
In feite postuleert de uitdrukking van Sadi Carnot de wet van behoud van energie, die de basis vormde van de 1e wet van de thermodynamica: "Wanneer een systeem energie van buitenaf ontvangt, zet het deze om in andere vormen, de belangrijkste van die thermisch en mechanisch zijn."
De wiskundige formule voor de 1e wet is als volgt geschreven:
Q=ΔU + A, hier is Q de hoeveelheid warmte die door de omgeving aan het systeem wordt overgedragen, ΔU is de verandering in de interne energie van dit systeem, A is het perfecte mechanische werk.
Adiabatische processen
Een goed voorbeeld hiervan is de beweging van luchtmassa's langs berghellingen. Dergelijke massa's zijn enorm (kilometers of meer), en lucht is een uitstekende warmte-isolator. De genoemde eigenschappen stellen ons in staat om alle processen met luchtmassa's die zich in korte tijd voordoen als adiabatisch te beschouwen. Wanneer lucht een berghelling opstijgt, da alt de druk, zet het uit, dat wil zeggen, het voert mechanisch werk uit en als gevolg daarvan koelt het af. Integendeel, de neerwaartse beweging van de luchtmassa gaat gepaard met een toename van de druk erin, het comprimeert en wordt daardoor erg heet.
De toepassing van de wet van de thermodynamica, die in de vorige subkop werd besproken, kan het gemakkelijkst worden aangetoond aan de hand van het voorbeeld van een adiabatisch proces.
Volgens de definitie is er daardoor geen uitwisseling van energie metomgeving, dat wil zeggen, in de bovenstaande vergelijking, Q=0. Dit leidt tot de volgende uitdrukking: ΔU=-A. Het minteken betekent hier dat het systeem mechanisch werk verricht door zijn eigen interne energie te verminderen. Er moet aan worden herinnerd dat de interne energie direct afhankelijk is van de temperatuur van het systeem.
Richting van thermische processen
Dit nummer gaat over de 2e wet van de thermodynamica. Iedereen heeft toch gemerkt dat als je twee objecten met verschillende temperaturen met elkaar in contact brengt, de koude altijd zal opwarmen en de hete zal afkoelen. Merk op dat het omgekeerde proces kan plaatsvinden binnen het kader van de eerste wet van de thermodynamica, maar dat het in de praktijk nooit wordt geïmplementeerd.
De reden voor de onomkeerbaarheid van dit proces (en alle bekende processen in het heelal) is de overgang van het systeem naar een meer waarschijnlijke toestand. In het beschouwde voorbeeld met het contact van twee lichamen met verschillende temperaturen, is de meest waarschijnlijke toestand die waarin alle deeltjes van het systeem dezelfde kinetische energie zullen hebben.
De tweede wet van de thermodynamica kan als volgt worden geformuleerd: "Warmte kan nooit spontaan worden overgedragen van een koud lichaam naar een heet lichaam." Als we het concept van entropie introduceren als een maat voor wanorde, dan kan het als volgt worden weergegeven: "Elk thermodynamisch proces verloopt met een toename van entropie".
Warmtemotor
Deze term wordt opgevat als een systeem dat, door de toevoer van externe energie eraan, mechanisch werk kan uitvoeren. Eerstewarmtemachines waren stoommachines en werden uitgevonden aan het einde van de 17e eeuw.
De tweede wet van de thermodynamica speelt een beslissende rol bij het bepalen van hun effectiviteit. Sadi Carnot stelde ook vast dat de maximale efficiëntie van dit apparaat is: Efficiency=(T2 - T1)/T2, hier zijn T2 en T1 verwarmings- en koelkasttemperaturen. Mechanisch werk kan alleen worden gedaan als er een warmtestroom is van een heet lichaam naar een koud lichaam, en deze stroom kan niet 100% worden omgezet in bruikbare energie.
De onderstaande afbeelding toont het werkingsprincipe van een warmtemotor (Qabs - warmte overgedragen aan de machine, Qced - warmteverlies, W - nuttig werk, P en V - druk en gasvolume in de zuiger).
Absolute nul en het postulaat van Nernst
Ten slotte gaan we verder met de overweging van de derde wet van de thermodynamica. Het wordt ook wel het Nernst-postulaat genoemd (de naam van de Duitse natuurkundige die het aan het begin van de 20e eeuw voor het eerst formuleerde). De wet zegt: "Het absolute nulpunt kan niet worden bereikt met een eindig aantal processen." Dat wil zeggen, het is op geen enkele manier mogelijk om de moleculen en atomen van een stof volledig te "bevriezen". De reden hiervoor is de constant bestaande warmte-uitwisseling met de omgeving.
Een bruikbare conclusie uit de derde wet van de thermodynamica is dat entropie afneemt naarmate men naar het absolute nulpunt beweegt. Dit betekent dat het systeem de neiging heeft zichzelf te organiseren. Dit feit kangebruik bijvoorbeeld om paramagneten over te brengen naar een ferromagnetische toestand wanneer ze worden afgekoeld.
Het is interessant om op te merken dat de laagste temperatuur die tot nu toe is bereikt 5·10−10 K (2003, MIT-laboratorium, VS) is.
