Στον κόσμο της φυσικής, υπάρχει ένας κλάδος που μελετά τους μετασχηματισμούς που συμβαίνουν λόγω της θερμότητας και του έργου σε ένα σύστημα. Αυτός είναι ο κλάδος της θερμοδυναμικής. Είναι ένας κλάδος της φυσικής που μελετά όλους τους μετασχηματισμούς που προκύπτουν αποκλειστικά από διεργασίες που περιλαμβάνουν αλλαγές στις μεταβλητές κατάστασης τόσο της θερμοκρασίας όσο και της ενέργειας σε μακροσκοπικό επίπεδο. Για να εμβαθύνετε σε αυτό το θέμα, μπορείτε να συμβουλευτείτε τις αρχές της θερμοδυναμικής, καθώς και τα συστήματα μονάδων θερμοκρασίας.
Σε αυτό το άρθρο θα σας πούμε όλα όσα πρέπει να γνωρίζετε για τη θερμοδυναμική και τις αρχές της θερμοδυναμικής.
Κύρια χαρακτηριστικά
Αν κάνουμε μια ανάλυση της κλασικής θερμοδυναμικής βλέπουμε ότι βασίζεται στην έννοια του μακροσκοπικού συστήματος. Αυτό το σύστημα δεν είναι τίποτα περισσότερο από ένα τμήμα φυσικής ή εννοιολογικής μάζας που διαχωρίζεται από το εξωτερικό περιβάλλον. Για την καλύτερη μελέτη των θερμοδυναμικών συστημάτων, θεωρείται πάντοτε ότι είναι μια φυσική μάζα που δεν διαταράσσεται από την ανταλλαγή ενέργειας με το εξωτερικό οικοσύστημα.
Η κατάσταση ενός μακροσκοπικού συστήματος σε ισορροπία προσδιορίζεται από ποσότητες που ονομάζονται θερμοδυναμικές μεταβλητές. Αυτές οι μεταβλητές είναι όλες οικείες: θερμοκρασία, πίεση, όγκος και χημική σύνθεση. Ορίζουν τα συστήματα και την ισορροπία τους. Οι κύριοι συμβολισμοί που χρησιμοποιούνται στη χημική θερμοδυναμική έχουν θεσπιστεί από τη Διεθνή Ένωση Εφαρμοσμένης Θερμοδυναμικής (IUPAC). Αυτές οι μονάδες επιτρέπουν την καλύτερη κατανόηση και εξήγηση των νόμων της θερμοδυναμικής. Επιπλέον, η μελέτη της εντροπίας είναι επίσης θεμελιώδης σε αυτόν τον τομέα.
Ωστόσο, υπάρχει ένας κλάδος της θερμοδυναμικής που δεν μελετά την ισορροπία, αλλά μάλλον αναλύει θερμοδυναμικές διεργασίες που χαρακτηρίζονται κυρίως από την αδυναμία τους να επιτύχουν σταθερές συνθήκες ισορροπίας. Αυτό σχετίζεται με τη σημασία της κατανόησης της συμπεριφοράς των θερμοδυναμικών κύκλων σε αυτές τις διεργασίες.
Νόμοι
Αυτές οι αρχές διατυπώθηκαν κατά τον 19ο αιώνα και διέπουν όλους τους μετασχηματισμούς και την εξέλιξή τους. Ορίζουν επίσης τα πραγματικά όρια για την επίτευξη μιας αληθινής κατανόησης. Είναι αξιώματα που δεν μπορούν να αποδειχθούν, αλλά είναι αναπόδεικτα με βάση την εμπειρία. Όλες οι θεωρίες της θερμοδυναμικής βασίζονται σε αυτές τις αρχές. Μπορούμε να διακρίνουμε τρεις βασικές αρχές συν τον μηδενικό νόμο, ο οποίος ορίζει τη θερμοκρασία και υπονοείται στις άλλες τρεις.
Μηδενικός νόμος
Θα περιγράψουμε αυτόν τον μηδενικό νόμο, ο οποίος είναι ο πρώτος που είναι υπεύθυνος για την περιγραφή της θερμοκρασίας που υπονοείται στις υπόλοιπες αρχές. Όταν δύο συστήματα αλληλεπιδρούν μεταξύ τους και βρίσκονται σε θερμική ισορροπία, μοιράζονται μερικές από τις ιδιότητες. Αυτές οι ιδιότητες που μοιράζονται μεταξύ τους μπορούν να μετρηθούν και να τους δοθεί μια αριθμητική τιμή. Ως αποτέλεσμα, εάν τα δύο συστήματα βρίσκονται σε ισορροπία με ένα τρίτο, θα είναι σε ισορροπία μεταξύ τους και η ιδιότητα που μοιράζεται είναι η θερμοκρασία.
Επομένως, αυτός ο μηδενικός νόμος δηλώνει απλώς ότι εάν το σώμα Α βρίσκεται σε ισορροπία με το σώμα Β και το σώμα Β βρίσκεται σε θερμική ισορροπία με το σώμα C, τότε τα σώματα A και C θα βρίσκονται επίσης σε θερμική ισορροπία. Αυτή η αρχή μας βοηθά να κατανοήσουμε την ανταλλαγή θερμότητας μεταξύ σωμάτων σε διαφορετικές θερμοκρασίες. Για όσους επιθυμούν να κατανοήσουν καλύτερα αυτούς τους νόμους, συνιστώ να επισκεφτείτε τη σελίδα σχετικά με τους κλάδους της φυσικής.
Πρώτος Νόμος Θερμοδυναμικής
Όταν ένα σώμα έρχεται σε επαφή με ένα σώμα που είναι ψυχρότερο, λαμβάνει χώρα ένας μετασχηματισμός που οδηγεί σε κατάσταση ισορροπίας. Αυτή η κατάσταση ισορροπίας βασίζεται στο ότι η θερμοκρασία των δύο σωμάτων είναι ίση, αφού πραγματοποιείται μεταφορά ενέργειας μεταξύ του θερμού και του ψυχρού σώματος. Για να εξηγήσουν αυτό το φαινόμενο, οι επιστήμονες υπέθεσαν ότι μια καυτή ουσία που υπάρχει σε μεγαλύτερες ποσότητες περνούσε στο ψυχρότερο σώμα. Θεωρήθηκε ένα υγρό που θα μπορούσε να κινηθεί μέσα από τη ζύμη για να ανταλλάξει θερμότητα.
Αυτή η αρχή προσδιορίζει τη θερμότητα ως μορφή ενέργειας. Δεν είναι μια υλική ουσία. Με αυτόν τον τρόπο, αποδείχθηκε ότι η θερμότητα, μετρούμενη σε θερμίδες, και το έργο, μετρούμενο σε joules, είναι ισοδύναμα. Επομένως, γνωρίζουμε σήμερα ότι 1 θερμίδα είναι περίπου 4,186 joules.
Μπορούμε να πούμε ότι ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής είναι μια αρχή διατήρησης της ενέργειας. Μια ποσότητα ενέργειας σε μια θερμική μηχανή μετατρέπεται σε εργασία και δεν υπάρχει μηχανή που να μπορεί να παράγει το εν λόγω έργο χωρίς να καταναλώνει ενέργεια. Μπορούμε να καθιερώσουμε αυτή την πρώτη αρχή ως εξής: η μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας ενός κλειστού θερμοδυναμικού συστήματος είναι ίση με τη διαφορά που υπάρχει μεταξύ της θερμότητας που παρέχεται στο σύστημα και της εργασίας που γίνεται από το εν λόγω σύστημα στο περιβάλλον.
Δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής
Αυτή η αρχή δηλώνει ότι είναι αδύνατο να δημιουργηθεί μια κυκλική μηχανή της οποίας το μοναδικό αποτέλεσμα είναι η μεταφορά θερμότητας από ένα κρύο σώμα σε ένα θερμό σώμα. Με άλλα λόγια, είναι αδύνατο να πραγματοποιηθεί ένας μετασχηματισμός του οποίου το μόνο αποτέλεσμα είναι η μετατροπή της θερμότητας που εξάγεται από μία μόνο πηγή σε μηχανικό έργο.
Αυτή η αρχή είναι υπεύθυνη για την άρνηση της πιθανότητας ύπαρξης της γνωστής αέναης κίνησης του δεύτερου είδους. Γνωρίζουμε ότι η εντροπία ενός συστήματος παραμένει απομονωμένη χωρίς αλλαγή όταν λαμβάνει χώρα ένας αναστρέψιμος μετασχηματισμός. Γνωρίζουμε επίσης ότι αυξάνεται όταν λαμβάνει χώρα ένας μη αναστρέψιμος μετασχηματισμός.
Τρίτος νόμος της θερμοδυναμικής
Αυτή η τελευταία αρχή συνδέεται στενά με τη δεύτερη και θεωρείται συνέπεια αυτής. Αυτή η αρχή δηλώνει ότι το απόλυτο μηδέν δεν μπορεί να επιτευχθεί με πεπερασμένο αριθμό μετασχηματισμών. Γνωρίζουμε ότι το απόλυτο μηδέν είναι απλώς η χαμηλότερη δυνατή θερμοκρασία. Σε βαθμούς Κέλβιν, είναι 0, αλλά σε βαθμούς Κελσίου, έχει τιμή -273.15 βαθμούς.
Καθορίζει επίσης ότι η εντροπία για ένα στερεό που είναι απόλυτα κρυσταλλικό που βρίσκεται σε θερμοκρασία 0 kelvin είναι ίση με 0. Αυτό σημαίνει ότι δεν θα υπήρχε εντροπία, επομένως το σύστημα θα ήταν εντελώς σταθερό. Η ενέργεια απελευθέρωσης, μεταφοράς και περιστροφής των σωματιδίων που το συνθέτουν δεν θα ήταν τίποτα σε θερμοκρασία 0 kelvin.
Ελπίζω ότι με αυτές τις πληροφορίες μπορείτε να μάθετε περισσότερα για τη θερμοδυναμική και τις βασικές αρχές.