Термодинамика

Термодинамика - это изучение понятий и идей тепла и температуры и их взаимосвязи. Термодинамика — это раздел физики, который объясняет, как тепловая энергия превращается в другие формы энергии, и значение тепловой энергии в материи. Поведение тепла, работы и температуры, а также их отношения к энергии и энтропии регулируются четырьмя законами термодинамики . Четыре закона термодинамики — это закон термодинамики Зерота, первый закон термодинамики, второй закон термодинамики и третий закон термодинамики. В этой статье рассматриваются введение в термодинамику, разделы термодинамики, основные понятия термодинамики и примеры термодинамики в повседневной жизни.

Что такое Термодинамика?

In Physics, thermodynamics is a branch that deals with the concept of energy,heat and temperature and their interrelation with radiation, energy and physical characteristics of matter.

Давайте разделим термин «термодинамика» на два его компонента: «термо» и «динамика». Термин «термо» относится к теплу, тогда как термин «динамика» относится к механическому движению, которое требует «работы». Область физики, изучающая взаимосвязь между теплом и другими видами энергии, называется термодинамикой .

Создание четкой границы значительно упрощает термодинамику. «Система» относится ко всему, что содержится внутри границы, а «окружение» относится ко всему, что находится за ее пределами. После создания граничной диаграммы можно использовать поток через границы системы для описания движения и передачи энергии. Слово «вселенная» является включающим. Другими словами, это относится как к окружению, так и к системе.

Разделы термодинамики

Изучение термодинамики подразделяется на несколько ветвей, перечисленных ниже:

Классическая термодинамика

Поведение материи изучается с макроскопической точки зрения классической термодинамики. Чтобы определить характеристики и предсказать характеристики вещества, проводящего процесс, люди принимают во внимание такие единицы, как температура и давление.

Статистическая термодинамика

Развитие атомных и молекулярных теорий в конце 19 — начале 20 веков породило статистическую механику, также известную как статистическая термодинамика, которая добавила к классической термодинамике интерпретацию микроскопических взаимодействий между отдельными частицами или квантово-механических состояний. Эта область объясняет классическую термодинамику как естественное следствие статистики, классической механики и квантовой теории на микроскопическом уровне. Он делает это, связывая микроскопические объемные свойства материалов, которые можно наблюдать в человеческом масштабе, с макроскопическими свойствами отдельных атомов и молекул.

Химическая термодинамика

Химическая термодинамика — это изучение того, как энергия взаимодействует с химическими процессами или изменениями состояния в соответствии с законами термодинамики. Определение спонтанности того или иного перехода является основной целью химической термодинамики.

Равновесная термодинамика

Равновесная термодинамика - это изучение переноса вещества и энергии в системах или веществах, которые могут быть переведены из одного состояния термодинамического равновесия в другое агентами в их окружающей среде. Фраза «термодинамическое равновесие» относится к состоянию равновесия, при котором все макроскопические потоки равны нулю. В случае самых основных систем или тел это означает, что их интенсивные свойства однородны, а их давления перпендикулярны их границам. Неуравновешенные потенциалы или движущие силы между макроскопически различными компонентами системы не существуют в состоянии равновесия.

Неравновесная термодинамика

Системы, не находящиеся в термодинамическом равновесии, находятся в центре внимания области термодинамики, известной как неравновесная термодинамика. Большинство систем в природе не находятся в термодинамическом равновесии, потому что они не находятся в стационарных состояниях и подвержены потокам вещества и энергии в другие системы и из них на постоянной и нерегулярной основе. Для термодинамического изучения неравновесных систем необходимы более общие понятия, чем те, которые охватывает равновесная термодинамика.

Основные понятия термодинамики

Термодинамические системы

A collection of an extremely large number of atoms or molecules confined within certain boundaries such that it has certain values of pressure (P), volume (V) and temperature (T) is called a thermodynamic system. 

Все, что находится за пределами термодинамической системы, с чем происходит обмен энергией или веществом, называется ее окружением. Принимая во внимание взаимодействие между системой и ее окружением, систему, которая называется открытой системой, если она может обмениваться как энергией, так и веществом со своим окружением, можно разделить на три класса:

1. Открытая система. Система называется открытой, если она может обмениваться энергией и веществом со своим окружением. См. рисунок 1(А).
2. Закрытая система. Система называется закрытой, если она может обмениваться с окружающей средой только энергией (не материей). См. рисунок 1(В).
3. Изолированная система: говорят, что система изолирована, если она не может обмениваться ни энергией, ни веществом со своим окружением. См. рисунок 1(С).

Система и окружение

Термин « окружение » относится ко всему, что находится за пределами системы, что влияет на ее поведение. Существует граница , отделяющая систему от ее окружения. Он может быть стационарным, мобильным или фиктивным. Он не займет места ни по массе, ни по объему. Например, рассмотрим закрытый стакан с жидкостью внутри, как показано ниже. Жидкость внутри стакана представляет собой систему, а контур стакана представляет собой границу системы. А материя вне системы и границы называется ее окружением.

Нагревать

Тепло – это энергия, которая передается между объектами или системами в результате разницы температур. Тепло — это законсервированная энергия, а это значит, что ее нельзя создать или уничтожить. Однако его можно перемещать из одного места в другое. Кроме того, тепло может быть преобразовано в различные виды энергии и обратно.

Работа

Работа, выполняемая системой или над системой в ходе процесса, зависит не только от начального и конечного состояний системы, но и от пути, выбранного для процесса. Когда сила, действующая на систему, перемещает тело в своем направлении, работа совершается. Сила и перемещение в совокупности создают работу (W), совершаемую системой или системой.

Внутренняя энергия

Кинетическая и потенциальная энергии молекул складываются, образуя внутреннюю энергию. Внутренняя энергия системы обозначается буквой U. Кинетическая энергия — это энергия, которой молекулы или атомы обладают благодаря своему движению. Две молекулы обладают некоторой потенциальной энергией, потому что они притягиваются друг к другу. Суммарная кинетическая и потенциальная энергия атомов или молекул, составляющих систему, называется внутренней энергией системы.

Термодинамические свойства или переменные

A thermodynamic system can be described by specifying its pressure, volume, temperature, internal energy, enthalpy, and the number of moles. These parameters or variables are called thermodynamic variables. 

Таким образом, переменные, необходимые для описания состояния термодинамической системы, называются термодинамическими переменными. Энтропия — это измерение энергии, присутствующей в системе или процессе, но недоступной для выполнения работы. Он также определяется как мера беспорядка в системе. Энтальпия – это мера полной энергии термодинамической системы.

Типы термодинамических переменных

1. Интенсивные переменные: переменные, которые не зависят от размера системы, называются интенсивными переменными. например, температура, давление и удельная мощность ударов.
2. Экстенсивные переменные: переменные, которые зависят от размера или массы системы, называются экстенсивными переменными. например объем, энергия, энтропия, теплоемкость и энтальпия.

Тепловое равновесие

Когда два тела, имеющие разную температуру, соприкасаются, энергия течет от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой. Поток энергии продолжается от одного тела к другому до достижения той же температуры. Когда оба соприкасающихся тела имеют одинаковую температуру и у тела нет энергии, пока оба тела не окажутся между ними, то эти тела находятся в тепловом равновесии. Таким образом, говорят, что два соприкасающихся тела или системы находятся в тепловом равновесии, если оба имеют одинаковую температуру.

• Говорят, что термодинамическая система находится в термодинамическом равновесии, если ее переменные, такие как давление, объем, температура, количество частиц и т. д., не меняются со временем.
• Любая изолированная система находится в термодинамическом равновесии.

Термодинамические процессы

Any process in which the thermodynamic variablesof a thermodynamic system change is known as the thermodynamic process.

1. Квазистатический процесс (квазистатический означает почти статический): процесс, при котором система лишь незначительно отклоняется от состояния равновесия, известен как квазистатический процесс. В этом процессе изменение давления, изменение объема или изменение температуры системы очень и очень мало.
2. Изотермический процесс: процесс, при котором давление и объем системы изменяются при постоянной температуре, называется изотермическим процессом. В этом случае P и V изменяются, но T остается постоянным. т.е. dT (изменение температуры) = 0.
3. Адиабатический процесс: Процесс, при котором давление, объем и температура системы изменяются, но нет обмена теплом между системой и окружающей средой, называется адиабатическим процессом. В этом случае P, V и T изменяются, но Q = 0. Систему следует сжать или позволить внезапно расшириться, чтобы не было времени для теплообмена между системой и ее окружением. Поскольку эти два условия на практике реализуются не полностью, ни один процесс не является совершенно адиабатическим.
4. Изохорный процесс: термодинамический процесс, происходящий при постоянном объеме, называется изохорным процессом. Он также известен как изоволюмический процесс. В этом случае dV = 0.
5. Изобарический процесс: термодинамический процесс, происходящий при постоянном давлении, называется изобарическим процессом. В этом случае dP = 0.
6. Циклический процесс: Циклический процесс состоит из серии изменений, которые возвращают систему в исходное состояние.

Термодинамические потенциалы

Запасенная энергия в системе измеряется ее термодинамическими потенциалами. Потенциалы измеряют, как энергия системы переходит из начального состояния в конечное. В зависимости от ограничений системы, таких как температура и давление, используются разные потенциалы.

Различные формы термодинамических потенциалов упомянуты ниже:

• Внутренняя энергия (U): равна сумме способности совершать работу и способности выделять тепло.
• Энергия Гиббса (G): это способность выполнять немеханическую работу.
• Энтальпия (H): это способность выполнять немеханическую работу и способность излучать тепло.
• Энергия Гельмгольца (F): это способность выполнять как механическую, так и немеханическую работу.

Энтальпия

В термодинамической системе энергия измеряется энтальпией. Энтальпия является мерой общего содержания тепла в системе и равна внутренней энергии системы плюс сумма ее объема и давления. Энтальпия — это свойство или функция состояния, напоминающая энергию; она имеет те же размеры, что и энергия, и поэтому измеряется в джоулях или эргах. Значение энтальпии полностью зависит от температуры, давления и состава системы, а не от ее истории.

Энтропия

Энтропия – это мера количества тепловой энергии на единицу температуры в системе, которую нельзя использовать для полезной работы. Энтропия является мерой молекулярного беспорядка или случайности системы, поскольку работа производится упорядоченным молекулярным движением. Теория энтропии предлагает глубокое понимание направления спонтанных изменений для многих обычных событий.

Законы термодинамики

Термодинамические системы в тепловом равновесии характеризуются фундаментальными физическими константами, такими как энергия, температура и энтропия, которые определяются термодинамическими законами. Эти термодинамические принципы описывают, как эти величины действуют в различных ситуациях.

Нулевой закон термодинамики

Согласно нулевому закону термодинамики, если два тела по отдельности находятся в тепловом равновесии с третьим телом, то первые два тела также находятся в тепловом равновесии друг с другом. Это означает, что если система А находится в тепловом равновесии с системой В, а система С также находится в тепловом равновесии с системой В, то обе системы А и С находятся в тепловом равновесии.

Первый закон термодинамики

Энергия не может быть произведена или уничтожена, согласно первому закону термодинамики, но может быть преобразована из одной формы в другую. Теплота, внутренняя энергия и работа определяются первым законом термодинамики. Энергия не может быть произведена или уничтожена, согласно первому закону термодинамики, но может быть преобразована из одной формы в другую. Согласно этому закону часть теплоты, переданной системе, расходуется на изменение внутренней энергии, а оставшаяся часть расходуется на совершение работы.

Mathematically, it may be expressed as

ΔQ=ΔU+W

where,

• The heat given or lost is denoted by ΔQ.
• The change in internal energy is denoted by ΔU.
• W stands for work done.

The above equation can alternatively be written as follows:

ΔU=ΔQ−W

As a result of the above equation, we may deduce that the quantity (ΔQ – W) is unaffected by the path taken to change the state. Furthermore, when heat is applied to a system, internal energy tends to rise, and vice versa.

Второй закон термодинамики

В изолированной системе второй закон термодинамики утверждает, что энтропия всегда возрастает. Любая изолированная система самопроизвольно движется к тепловому равновесию или состоянию максимальной энтропии. Энтропия Вселенной всегда увеличивается и никогда не уменьшается.

Третий закон термодинамики

Третий закон термодинамики гласит, что когда температура приближается к абсолютному нулю, энтропия системы приближается к постоянному значению. При температуре абсолютного нуля энтропия чистого кристаллического твердого тела равна нулю. Если идеальный кристалл имеет только одно состояние с минимальной энергией, это утверждение справедливо.

Примеры термодинамики в повседневной жизни

• Таяние кубиков льда: напитки с кубиками льда становятся холоднее по мере поглощения тепла напитка. Если мы пренебрежем пить его, он в конечном итоге снова нагреется до комнатной температуры, поглощая тепло из окружающей среды. Первый и второй законы термодинамики управляют тем, как все это работает.
• Потоотделение в переполненном помещении: в переполненном помещении все начинают потеть. Передавая тепло тела потоотделению, тело начинает охлаждаться. Пот испаряется, нагревая пространство. Опять же, это происходит в результате применения первого и второго законов термодинамики. Имейте в виду, что тепло не теряется, а перемещается до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие с наименьшим количеством энтропии.
• Щелчок выключателя света: различные виды электростанций, в том числе тепловые и ядерные, изучаются с помощью термодинамики.

Часто задаваемые вопросы по термодинамике

Вопрос 1: Дайте определение изолированной системе.

Отвечать:

A system is said to be isolated if it can neither exchange energy nor matter with its surroundings.

Вопрос 2: Каково значение законов термодинамики?

Отвечать:

Temperature, energy, and entropy, which describe the physical quantities that define thermodynamic systems at thermal equilibrium, are defined by the laws of thermodynamics.

Вопрос 3: Можно ли потерять или уничтожить энергию?

Отвечать:

No, the energy can not be destroyed and created. But it can only be transferred from one form of energy to other.

Вопрос 4: Как выглядит негативная работа?

Отвечать:

An example of negative workis when you’re pushing an object along the floor, the work done by Kinetic Friction is negative.

Вопрос 5: Применимы ли законы термодинамики к человеческому телу?

Отвечать:

The human body really does follow the law of thermodynamics. You start to feel warm and begin to sweat when you are in a crowded room with other people. This is how the body cools itself.