Czym jest termodynamika:
Termodynamika to dziedzina fizyki zajmująca się badaniem relacji między ciepłem, przyłożoną siłą (znaną również jako praca) i transferem energii.
Słowo termodynamika pochodzi od greckich korzeni θερμο- (termo-), co oznacza „ciepło”, oraz δυναμικός (dynamikos), co z kolei wywodzi się z ναμις (dynamis), co oznacza „siła” lub „moc”.
Procesy termodynamiczne są determinowane przez trzy podstawowe prawa.
- Pierwsze prawo pozwala nam zrozumieć, w jaki sposób oszczędzana jest energia.
- Drugie prawo służy do poznania warunków niezbędnych do zajścia transferu energii.
- Trzecie prawo służy poznaniu zachowania układów w równowadze.
Zrozumienie procesów termodynamicznych jest ważne w takich dziedzinach, jak inżynieria przemysłowa, w których do obsługi wielu maszyn potrzebne są duże ilości energii.
Prawa termodynamiki pozwalają nam również zrozumieć funkcjonowanie systemów w dziedzinach takich jak biochemia, kosmologia czy genetyka.
Prawa termodynamiki
W termodynamice istnieją trzy prawa, które wyjaśniają, jak ciepło i energia są przekazywane. Wyjaśnimy je szczegółowo poniżej.
Pierwsza zasada termodynamiki
Pierwsze prawo dotyczy zachowania energii: energia nie jest ani tworzona, ani niszczona, jest tylko przekształcana. Na przykład:
- Energia słoneczna zamieniana jest na energię elektryczną dla stacji paliw.
- Ta energia elektryczna może być wykorzystana do naładowania akumulatora samochodu elektrycznego.
- Samochód elektryczny jest w stanie zamienić zgromadzoną energię na wyporność.
Dlatego energia jest zawsze w ruchu.
Uproszczona formuła wyglądałaby następująco:
Druga zasada termodynamiki
Druga zasada termodynamiki pozwala określić dwie rzeczy:
- Kierunek, w którym następuje transfer energii.
- Warunki niezbędne do odwrócenia procesu.
Stąd dowiadujemy się, że istnieją procesy odwracalne i nieodwracalne.
Na przykład sól kuchenna spontanicznie miesza się z wodą w procesie zwanym rozcieńczaniem. Ten proces uwalnia ciepło.
Aby odwrócić ten proces i ponownie uformować kryształy soli, należy zastosować ciepło, które pozwoli wodzie wyparować i oddzielić ją od soli. System pochłania ciepło.
Uproszczona formuła wyglądałaby następująco:
Trzecia zasada termodynamiki
Trzecia zasada termodynamiki łączy dwa poprzednie prawa i stosuje je do układów w równowadze absolutnej. W tym stanie występuje minimalna wymiana energii i maksymalny stopień nieuporządkowania (lub entropii).
Trzecie prawo stosuje się do systemów zamkniętych. Tego typu systemy są widoczne tylko w fizyce teoretycznej i chemii.
Uproszczona formuła wyglądałaby tak:
Rodzaje układów w termodynamice
Aby zrozumieć prawa termodynamiki, należy najpierw poznać rodzaje istniejących systemów i ich zachowanie.
Wszystko wokół nas składa się z systemów, a większość znanych nam systemów wymienia energię. Systemy są podzielone na trzy typy: otwarte, zamknięte i izolowane.
- Systemy otwarte: wymieniają energię i materię z otoczeniem (np. ognisko).
- Systemy zamknięte: wymieniają energię tylko z otoczeniem (na przykład telefon komórkowy).
- Systemy izolowane: Nie wymieniają materii ani energii (są tylko teoretyczne).
Podczas gdy pierwsza i druga zasada termodynamiki stosuje się do systemów otwartych i zamkniętych, trzecia zasada dotyczy systemów izolowanych.
Stan systemu
Istnieją dwa podstawowe stany, w których można znaleźć systemy (niezależnie od ich typu).
- Systemy aktywne: jeśli następuje wymiana energii, mówi się, że system jest aktywny.
- Układy w spoczynku lub w równowadze: jeśli nie ma wymiany energii, uważa się, że układ znajduje się w spoczynku lub w równowadze.
Ciepło i wymiana ciepła w termodynamice
Według fizyki ciepło to przepływ energii, który występuje, gdy stykają się dwa układy o różnych temperaturach. Równowaga termiczna zostaje osiągnięta, gdy wszystkie zaangażowane systemy osiągną tę samą temperaturę.
W układach termodynamicznych, jeśli dwa z nich są w równowadze z układem trzecim, to są one również w równowadze ze sobą. Dlatego po osiągnięciu równowagi temperatura jest stała.
