זהו המונח המשמש להקיף את סדרת המחקרים והניסויים המתבצעים על פי חוקי הפיזיקה, המנתחים בפירוט את איזון היסודות הארציים, כמו גם כיצד חום ואנרגיה משפיעים על החיים על הפלנטה ועל כדור הארץ. חומרים המרכיבים אותו. מתוך כך, ניתן היה ליצור מכונות שונות המסייעות בתהליכים תעשייתיים. המילה מגיעה מהמילים היווניות θερμο ו- δύναμις, שמשמעותן "תרמו" ו"חום ".
מהי תרמודינמיקה
תוכן עניינים
הגדרת התרמודינמיקה מצביעה על כך שמדובר במדע שעוסק בחוקים השולטים בהפיכת אנרגיה תרמית לאנרגיה מכנית ולהיפך. הוא מבוסס על שלושה עקרונות יסוד ויש לו השלכות פילוסופיות ברורות ומאפשר גם ניסוח מושגים שהם מהרחיקים ביותר בפיזיקה.
במסגרת זו, נעשה שימוש בשיטות שונות לחקירה והערכה של האובייקטים הנדרשים, כמו עצמות נרחבות ולא נרחבות. נרחבת זו חוקרת אנרגיה פנימית, הרכב טוחנת או נפח והשנייה מצידה חוקרת לחץ., טמפרטורה ופוטנציאל כימי; למרות זאת, גודל אחר משמש לניתוח מדויק.
מה חוקרת תרמודינמיקה
התרמודינמיקה חוקרת את חילופי האנרגיה התרמית בין מערכות ואת התופעות המכניות והכימיות שמשמעותן חילופים כאלה. באופן מסוים, הוא ממונה על חקר התופעות בהן יש הפיכת אנרגיה מכנית לאנרגיה תרמית או להיפך, תופעות הנקראות טרנספורמציות תרמודינמיות.
הוא נחשב למדע פנומנולוגי, מכיוון שהוא מתמקד במחקרים מקרוסקופיים של עצמים ואחרים. באופן דומה, הוא עושה שימוש במדעים אחרים כדי להצליח להסביר את התופעות שהוא מבקש לזהות במושאי הניתוח שלה, כגון מכניקה סטטיסטית. מערכות תרמודינמיות משתמשות בכמה משוואות המסייעות לערבב את תכונותיהן.
בין עקרונותיה הבסיסיים ניתן למצוא את האנרגיה, אותה ניתן להעביר מגוף אחד לאחר, באמצעות חום. זה חל על תחומי לימוד רבים כמו הנדסה, כמו גם על שיתוף פעולה עם פיתוח מנועים, לימוד שינויי פאזה, תגובות כימיות וחורים שחורים.
מהי מערכת תרמודינמית
מערכת תרמודינמית נקראת הגוף, או קבוצת הגופים, שעליה מתרחש טרנספורמציה תרמודינמית. חקר המערכת נעשה החל מהמצב, כלומר מהתנאים הפיזיים שלו ברגע נתון. ברמה המיקרוסקופית, ניתן לתאר את המצב האמור באמצעות קואורדינטות או משתנים תרמיים, כגון מסה, לחץ, טמפרטורה וכו ', אשר ניתנים למדידה מושלמת, אך ברמה המיקרוסקופית, השברים (מולקולות, אטומים) המהווים את המערכת ולזהות את מכלול המיקומים והמהירויות של חלקיקים אלה שתכונותיהם המיקרוסקופיות תלויות בסופו של דבר.
בנוסף, מערכת תרמודינמית היא אזור במרחב הכפוף למחקר המתבצע ושמוגבל על ידי משטח שיכול להיות אמיתי או דמיוני. האזור שמחוץ למערכת שמתקשר איתו נקרא סביבת המערכת. המערכת התרמודינמית מקיימת אינטראקציה עם סביבתה באמצעות חילופי חומר ואנרגיה.
המשטח המפריד בין המערכת לשאר הקונטקסט שלה נקרא קיר, ועל פי מאפייניו הם מסווגים לשלושה סוגים שהם:
מערכת תרמודינמית פתוחה
זה חילופי הדברים בין אנרגיה לחומר.
מערכת תרמודינמית סגורה
זה לא מחליף חומר, אבל כן מחליף אנרגיה.
מערכת תרמודינמית מבודדת
זה לא מחליף חומר או אנרגיה.
עקרונות התרמודינמיקה
לתרמודינמיקה יש יסודות מסוימים הקובעים את הכמויות הפיזיות הבסיסיות המייצגות מערכות תרמודינמיות. עקרונות אלה מסבירים כיצד נראית התנהגותם בתנאים מסוימים ומונעים את הופעתן של תופעות מסוימות.
אומרים שגוף נמצא בשיווי משקל תרמי כאשר החום שהוא תופס ופולט שווה. במקרה זה הטמפרטורה של כל הנקודות שלה היא ונשארת קבועה. מקרה פרדוקסלי של שיווי משקל תרמי הוא ברזל שנחשף לשמש.
הטמפרטורה של גוף זה, ברגע שהושגה שיווי משקל, נותרה גבוהה מזו של הסביבה מכיוון שהאספקה הרציפה של אנרגיית השמש מפוצה על ידי מה שהגוף מקרין ומאבד אותה עם ההולכה והסעה שלו.
אפס העיקרון של התרמודינמיקה או החוק אפס התרמודינמיקה קיים כאשר שני גופים במגע הם באותה טמפרטורה לאחר שהגיע שיווי משקל תרמי. אפשר להבין בקלות שהגוף הקר ביותר מתחמם והחם יותר מתקרר, וכך שטף החום נטו ביניהם פוחת ככל שהפרש הטמפרטורות שלהם פוחת.
"> טוען…החוק הראשון של התרמודינמיקה
העיקרון הראשון של התרמודינמיקה הוא עקרון שמירת האנרגיה (כראוי ובהתאם לתורת היחסות של חומר-אנרגיה) לפיו היא לא נוצרת ולא נהרסת, אם כי ניתן להפוך אותה בצורה מסוימת לאחר.
הכללת עקרון האנרגיה מאפשרת לנו לאשר כי וריאציה של הכוח הפנימי של המערכת היא סכום העבודה שבוצעה והועברה, הצהרה הגיונית שכן נקבע כי עבודה וחום הם דרכי העברת האנרגיה וכי היא אינה ליצור או להרוס.
אנרגיה פנימית של מערכת מובנת כסכום האנרגיות השונות ושל כל החלקיקים המרכיבים אותה, כגון: אנרגיה קינטית של תרגום, סיבוב ורטט, אנרגיית קשירה, לכידות וכו '.
העיקרון הראשון הוצג לעיתים כאי אפשרות לקיומו של הנייד התמידי מהסוג הראשון, כלומר האפשרות לייצר עבודה מבלי לצרוך אנרגיה באף אחת מהדרכים בהן היא באה לידי ביטוי.
עיקרון שני של תרמודינמיקה
עיקרון שני זה עוסק באי הפיכות של אירועים פיזיים, במיוחד בזמן העברת חום.
מספר גדול של עובדות ניסיוניות מוכיח שלתמורות המתרחשות באופן טבעי יש משמעות מסוימת, מבלי שנצפתה אי פעם, שהן מתבצעות באופן ספונטני בכיוון ההפוך.
העיקרון השני של התרמודינמיקה הוא הכללה של מה שהחוויה מלמדת על המובן בו מתרחשות טרנספורמציות ספונטניות. הוא תומך בניסוחים שונים שהם מקבילים למעשה. לורד קלווין, הפיזיקאי והמתמטיקאי הבריטי, הצהיר זאת במונחים אלה בשנת 1851 "אי אפשר לבצע את השינוי שתוצאתו היחידה היא הפיכתו לעבודה של החום המופק ממקור יחיד של טמפרטורה אחידה".
זהו אחד החוקים החשובים ביותר של התרמודינמיקה בפיזיקה; למרות שניתן לנסח אותם בדרכים רבות, כולם מובילים להסבר של מושג האי-הפיכה ושל אנטרופיה. הפיזיקאי והמתמטיקאי הגרמני רודולף קלאוזיוס קבע אי-שוויון הקשור בין הטמפרטורות של מספר שרירותי של מקורות תרמיים לבין כמויות החום הנספגות על ידם, כאשר חומר עובר כל תהליך מחזורי, הפיך או בלתי הפיך, ומחליף חום המקורות.
בתחנת כוח הידרואלקטרית, אנרגיה חשמלית מופקת מהאנרגיה הפוטנציאלית של המים הנסתרים. כוח זה הופך לאנרגיה קינטית כאשר המים יורדים דרך הצינורות וחלק קטן מאנרגיה קינטית זו הופך לכוח קינטי סיבובי של טורבינה, שצירו הוא אינטגרלי עם ציר המשרן של אלטרנטור המייצר את הכוח. חַשׁמַלִי.
העיקרון הראשון של התרמודינמיקה מאפשר לנו להבטיח שבשינויים מצורת אנרגיה אחת לאחרת לא חלה עלייה ולא ירידה בכוח ההתחלתי, העיקרון השני אומר לנו שחלק מאותה אנרגיה יופעל כחום.
עקרון שלישי לתרמודינמיקה
החוק השלישי פותח על ידי הכימאי וולטר נרנסט בשנים 1906-1912, ולכן מכונים אותו לעתים קרובות כמשפט של נרנסט או פוסטולתו של נרנסט. עיקרון שלישי זה של התרמודינמיקה אומר שהאנטרופיה של מערכת אפס מוחלטת היא קבוע מוגדר. הסיבה לכך היא שקיימת מערכת טמפרטורה אפסית במצב הקרקע שלה, ולכן האנטרופיה שלה נקבעת על ידי הניוון של מצב הקרקע. בשנת 1912 קבע נרנסט את החוק כך: "לא ניתן בשום הליך להגיע לאיזותרמה T = 0 במספר סופי של צעדים".
תהליכים תרמודינמיים
במושג התרמודינמיקה, התהליכים הם השינויים המתרחשים במערכת ועוברים אותה ממצב שיווי משקל ראשוני למצב של שיווי משקל סופי. אלה מסווגים על פי המשתנה שנשמר קבוע לאורך כל התהליך.
תהליך עלול להתרחש מהמיסת קרח, ועד להצתה של תערובת דלק אוויר בכדי לבצע תנועת בוכנות במנוע בעירה פנימית.
ישנם שלושה תנאים שיכולים להשתנות במערכת תרמודינמית: טמפרטורה, נפח ולחץ. תהליכים תרמודינמיים נלמדים בגזים, מכיוון שנוזלים אינם דחיסים ואין שינויים בנפח. כמו כן, בשל טמפרטורות גבוהות, נוזלים הופכים לגזים. במוצקים, מחקרים תרמודינמיים אינם מתבצעים מכיוון שהם אינם דחיסים ואין עליהם עבודה מכנית.
סוגי תהליכים תרמודינמיים
תהליכים אלה מסווגים על פי גישתם, בכדי לשמור על קבוע אחד המשתנים, טמפרטורה, לחץ או נפח. בנוסף, מיושמים קריטריונים אחרים, כגון חילופי אנרגיה ושינוי כל המשתנים שלה.
תהליך איזותרמי
תהליכים איזותרמיים הם כל אלה בהם הטמפרטורה של המערכת נותרת קבועה. זה נעשה על ידי עבודה, כך שהמשתנים האחרים (P ו- V) משתנים לאורך זמן.
תהליך איזוברי
התהליך האיזוברי הוא תהליך בו הלחץ נשאר קבוע. שונות בטמפרטורה ובנפח תגדיר את התפתחותה. הנפח יכול להשתנות באופן חופשי כאשר הטמפרטורה משתנה.
תהליכים איזוכוריים
בתהליכים איזוכוריים הנפח נשאר קבוע. זה יכול להיחשב גם כאלו שהמערכת לא מייצרת עבודה כלשהי (W = 0).
בעיקרון, מדובר בתופעות פיזיקליות או כימיות הנחקרות בתוך כל מיכל, בין אם בתסיסה ובין אם לא.
תהליך אדיאבטי
התהליך האדיאבטי הוא אותו תהליך תרמודינמי בו אין חילופי חום מהמערכת כלפי חוץ או בכיוון ההפוך. דוגמאות לתהליך מסוג זה הן כאלה שניתן לבצע בתרמוס למשקאות.
"> טוען…דוגמאות לתהליכים תרמודינמיים
- דוגמה לתהליך האיזוכורי: נפח הגז נשמר קבוע. כאשר כל סוג של שינוי טמפרטורה מתרחש, זה ילווה בשינוי לחץ. כמו במקרה של קיטור בסיר לחץ, הוא מגביר את לחץו כשהוא מתחמם.
- כדוגמה לתהליך איזותרמי: טמפרטורת הגז נשמרת קבועה. ככל שעוצמת הקול עולה הלחץ פוחת. לדוגמא, בלון במכונת ייצור ואקום מגדיל את נפחו ככל שנוצר הוואקום.
- ביחס לתהליך האדיאבטי: למשל, דחיסת הבוכנה במשאבת ניפוח צמיגי אופניים, או דחיסה מהירה של הבוכנה של המזרק, שדחיסה אותו בעבר עם חור השקע מחובר.
