Είναι ο όρος που χρησιμοποιείται για να περιλαμβάνει τη σειρά μελετών και πειραμάτων που διεξάγονται σύμφωνα με τους νόμους της φυσικής, οι οποίοι αναλύουν λεπτομερώς την ισορροπία των επίγειων στοιχείων, καθώς και τον τρόπο με τον οποίο η θερμότητα και η ενέργεια επηρεάζουν τη ζωή στον πλανήτη και υλικά που το συνθέτουν. Από αυτό, ήταν δυνατό να δημιουργηθούν διαφορετικά μηχανήματα που βοηθούν στις βιομηχανικές διαδικασίες. Η λέξη προέρχεται από τις ελληνικές λέξεις θερμο και θερμις, που σημαίνει «θερμο» και «θερμότητα».
Τι είναι η θερμοδυναμική
Πίνακας περιεχομένων
Ο ορισμός της θερμοδυναμικής δείχνει ότι η επιστήμη ασχολείται ειδικά με τους νόμους που διέπουν τη μετατροπή της θερμικής ενέργειας σε μηχανική ενέργεια και αντίστροφα. Βασίζεται σε τρεις θεμελιώδεις αρχές και έχει προφανείς φιλοσοφικές επιπτώσεις και επιτρέπει επίσης τη διαμόρφωση εννοιών που είναι από τις πιο εκτεταμένες στη φυσική.
Μέσα σε αυτό, χρησιμοποιούνται διάφορες μέθοδοι διερεύνησης και εκτίμησης των απαιτούμενων αντικειμένων, όπως εκτεταμένα και μη εκτεταμένα μεγέθη. Η εκτεταμένη μελετά την εσωτερική ενέργεια, τη μοριακή σύνθεση ή τον όγκο και η δεύτερη, από την πλευρά της, μελετά την πίεση, θερμοκρασία και χημικό δυναμικό · Παρόλα αυτά, άλλα μεγέθη χρησιμοποιούνται για ακριβή ανάλυση.
Τι μελετά η θερμοδυναμική
Η θερμοδυναμική μελετά τις ανταλλαγές θερμικής ενέργειας μεταξύ συστημάτων και τα μηχανικά και χημικά φαινόμενα που υπονοούν τέτοιες ανταλλαγές. Με έναν συγκεκριμένο τρόπο, είναι υπεύθυνο για τη μελέτη των φαινομένων στα οποία υπάρχει μετατροπή της μηχανικής ενέργειας σε θερμική ενέργεια ή αντίστροφα, φαινόμενα που ονομάζονται θερμοδυναμικοί μετασχηματισμοί.
Θεωρείται μια φαινομενολογική επιστήμη, αφού εστιάζει στις μακροσκοπικές μελέτες αντικειμένων και άλλων. Παρομοίως, χρησιμοποιεί άλλες επιστήμες για να είναι σε θέση να εξηγήσει τα φαινόμενα που προσπαθεί να προσδιορίσει στα αντικείμενα ανάλυσής της, όπως η στατιστική μηχανική. Τα θερμοδυναμικά συστήματα χρησιμοποιούν κάποιες εξισώσεις που βοηθούν στην ανάμιξη των ιδιοτήτων τους.
Μεταξύ των βασικών της αρχών μπορεί να βρεθεί εκείνη της ενέργειας, η οποία μπορεί να μεταφερθεί από το ένα σώμα στο άλλο, μέσω της θερμότητας. Εφαρμόζεται σε πολλούς τομείς μελέτης όπως η μηχανική, καθώς και η συνεργασία με την ανάπτυξη κινητήρων, η μελέτη αλλαγών φάσεων, χημικών αντιδράσεων και μαύρων οπών.
Τι είναι ένα θερμοδυναμικό σύστημα
Ένα θερμοδυναμικό σύστημα ονομάζεται σώμα, ή σύνολο σωμάτων, πάνω στο οποίο λαμβάνει χώρα ένας θερμοδυναμικός μετασχηματισμός. Η μελέτη ενός συστήματος γίνεται ξεκινώντας από την κατάσταση, δηλαδή από τις φυσικές του συνθήκες σε μια δεδομένη στιγμή. Σε μικροσκοπικό επίπεδο, αυτή η κατάσταση μπορεί να περιγραφεί μέσω συντεταγμένων ή θερμικών μεταβλητών, όπως μάζα, πίεση, θερμοκρασία κ.λπ., που είναι απολύτως μετρήσιμα, αλλά σε μικροσκοπικό επίπεδο, τα κλάσματα (μόρια, άτομα) που συνιστούν το σύστημα και να προσδιορίσει το σύνολο θέσεων και ταχυτήτων αυτών των σωματιδίων από τα οποία εξαρτώνται τελικά οι μικροσκοπικές ιδιότητες.
Επιπλέον, ένα θερμοδυναμικό σύστημα είναι μια περιοχή του χώρου που υπόκειται στη μελέτη που διεξάγεται και περιορίζεται από μια επιφάνεια που μπορεί να είναι πραγματική ή φανταστική. Η περιοχή έξω από το σύστημα που αλληλεπιδρά με αυτό ονομάζεται περιβάλλον συστήματος. Το θερμοδυναμικό σύστημα αλληλεπιδρά με το περιβάλλον του μέσω της ανταλλαγής ύλης και ενέργειας.
Η επιφάνεια που διαχωρίζει το σύστημα από το υπόλοιπο πλαίσιο ονομάζεται τοίχος και σύμφωνα με τα χαρακτηριστικά του ταξινομούνται σε τρεις τύπους που είναι:
Ανοιχτό θερμοδυναμικό σύστημα
Είναι η ανταλλαγή ενέργειας και ύλης.
Κλειστό θερμοδυναμικό σύστημα
Δεν ανταλλάσσει ύλη, αλλά ανταλλάσσει ενέργεια.
Απομονωμένο θερμοδυναμικό σύστημα
Δεν ανταλλάσσει ύλη ή ενέργεια.
Αρχές θερμοδυναμικής
Η θερμοδυναμική έχει ορισμένα βασικά στοιχεία που καθορίζουν τις βασικές φυσικές ποσότητες που αντιπροσωπεύουν θερμοδυναμικά συστήματα. Αυτές οι αρχές εξηγούν πώς είναι η συμπεριφορά τους υπό ορισμένες συνθήκες και αποτρέπουν την εμφάνιση ορισμένων φαινομένων.
Ένα σώμα λέγεται ότι βρίσκεται σε θερμική ισορροπία όταν η θερμότητα που αντιλαμβάνεται και εκπέμπει είναι ίση. Σε αυτήν την περίπτωση η θερμοκρασία όλων των σημείων της είναι και παραμένει σταθερή. Μια παράδοξη περίπτωση θερμικής ισορροπίας είναι ένας σίδηρος που εκτίθεται στον ήλιο.
Η θερμοκρασία αυτού του σώματος, μόλις επιτευχθεί ισορροπία, παραμένει υψηλότερη από εκείνη του περιβάλλοντος, επειδή η συνεχής συνεισφορά της ηλιακής ενέργειας αντισταθμίζεται από εκείνη που το σώμα ακτινοβολεί και το χάνει με την αγωγή και τη μεταφορά του.
Η μηδενική αρχή της θερμοδυναμικής ή ο μηδενικός νόμος της θερμοδυναμικής υπάρχει όταν δύο σώματα σε επαφή βρίσκονται στην ίδια θερμοκρασία μετά την επίτευξη θερμικής ισορροπίας. Είναι εύκολα κατανοητό ότι το ψυχρότερο σώμα θερμαίνεται και το θερμότερο ψύχεται και έτσι η καθαρή ροή θερμότητας μεταξύ τους μειώνεται καθώς μειώνεται η διαφορά θερμοκρασίας.
Φόρτωση…Πρώτος νόμος θερμοδυναμικής
Η πρώτη αρχή της θερμοδυναμικής είναι η αρχή της διατήρησης της ενέργειας (σωστά και σύμφωνα με τη θεωρία της σχετικότητας της ύλης-ενέργειας) σύμφωνα με την οποία δεν δημιουργείται ούτε καταστρέφεται, αν και μπορεί να μετατραπεί με έναν συγκεκριμένο τρόπο σε άλλο.
Η γενίκευση της αρχής της ενέργειας μας επιτρέπει να επιβεβαιώσουμε ότι η παραλλαγή της εσωτερικής δύναμης ενός συστήματος είναι το άθροισμα της εργασίας που εκτελείται και μεταφέρεται, μια λογική δήλωση δεδομένου ότι έχει αποδειχθεί ότι η εργασία και η θερμότητα είναι οι τρόποι μεταφοράς ενέργειας και ότι δεν είναι δημιουργία ή καταστροφή.
Η εσωτερική ενέργεια ενός συστήματος νοείται ως το άθροισμα των διαφορετικών ενεργειών και όλων των σωματιδίων που το συνθέτουν, όπως: κινητική ενέργεια μετάφρασης, περιστροφή και δόνηση, ενέργεια δέσμευσης, συνοχή κ.λπ.
Η πρώτη αρχή έχει μερικές φορές αναφερθεί ως η αδυναμία ύπαρξης του αέναου κινητού του πρώτου είδους, δηλαδή της δυνατότητας παραγωγής εργασίας χωρίς κατανάλωση ενέργειας με οποιονδήποτε από τους τρόπους με τους οποίους εκδηλώνεται.
Δεύτερη αρχή της θερμοδυναμικής
Αυτή η δεύτερη αρχή ασχολείται με το μη αναστρέψιμο των φυσικών γεγονότων, ειδικά κατά τη στιγμή της μεταφοράς θερμότητας.
Ένας μεγάλος αριθμός πειραματικών γεγονότων δείχνουν ότι οι μετασχηματισμοί που συμβαίνουν φυσικά έχουν μια συγκεκριμένη έννοια, χωρίς να παρατηρούνται ποτέ, ότι πραγματοποιούνται αυθόρμητα στην αντίθετη κατεύθυνση.
Η δεύτερη αρχή της θερμοδυναμικής είναι μια γενίκευση του τι διδάσκει η εμπειρία για την αίσθηση στην οποία συμβαίνουν αυθόρμητοι μετασχηματισμοί. Υποστηρίζει διάφορα σκευάσματα που είναι πραγματικά ισοδύναμα. Ο Λόρδος Κέλβιν, Βρετανός φυσικός και μαθηματικός, το ανέφερε με αυτούς τους όρους το 1851 "Είναι αδύνατο να πραγματοποιηθεί ο μετασχηματισμός του οποίου το μόνο αποτέλεσμα είναι η μετατροπή σε εργασία της θερμότητας που εξάγεται από μία μόνο πηγή ομοιόμορφης θερμοκρασίας"
Αυτός είναι ένας από τους πιο σημαντικούς νόμους της θερμοδυναμικής στη φυσική. Παρόλο που μπορούν να διατυπωθούν με πολλούς τρόπους, όλα οδηγούν στην εξήγηση της έννοιας του μη αναστρέψιμου και της εντροπίας. Ο Γερμανός φυσικός και μαθηματικός Rudolf Clausius διαπίστωσε μια ανισότητα που σχετίζεται μεταξύ των θερμοκρασιών ενός αυθαίρετου αριθμού θερμικών πηγών και των απορροφούμενων ποσοτήτων θερμότητας που παρέχονται από αυτές, όταν μια ουσία περνά από οποιαδήποτε κυκλική διαδικασία, αναστρέψιμη ή μη αναστρέψιμη, ανταλλάσσοντας θερμότητα με οι πηγές.
Σε μια υδροηλεκτρική μονάδα παραγωγής ενέργειας, η ηλεκτρική ενέργεια παράγεται από τη δυνητική ενέργεια του φράγματος νερού. Αυτή η ισχύς μετατρέπεται σε κινητική ενέργεια όταν το νερό κατεβαίνει μέσω των σωλήνων και ένα μικρό μέρος αυτής της κινητικής ενέργειας μετατρέπεται σε περιστροφική κινητική δύναμη ενός στροβίλου, του οποίου ο άξονας είναι αναπόσπαστος με τον άξονα του επαγωγέα ενός εναλλάκτη που παράγει τη δύναμη ηλεκτρικός.
Η πρώτη αρχή της θερμοδυναμικής μάς επιτρέπει να διασφαλίσουμε ότι στις αλλαγές από τη μία μορφή ενέργειας στην άλλη δεν υπήρξε ούτε αύξηση ούτε μείωση στην αρχική ισχύ, η δεύτερη αρχή μας λέει ότι μέρος αυτής της ενέργειας θα έχει πυροδοτηθεί με τη μορφή θερμότητας.
Τρίτη Αρχή Θερμοδυναμικής
Ο τρίτος νόμος αναπτύχθηκε από τον χημικό Walther Nernst κατά τα έτη 1906-1912, και γι 'αυτό αναφέρεται συχνά ως θεώρημα του Nernst ή ως αξίωμα του Nernst. Αυτή η τρίτη αρχή της θερμοδυναμικής λέει ότι η εντροπία ενός απόλυτου μηδενικού συστήματος είναι μια συγκεκριμένη σταθερά. Αυτό συμβαίνει επειδή υπάρχει σύστημα μηδενικής θερμοκρασίας στην κατάσταση του εδάφους, επομένως η εντροπία του καθορίζεται από τον εκφυλισμό της κατάστασης του εδάφους. Το 1912, ο Nernst καθιέρωσε τον νόμο ως εξής: "Είναι αδύνατο με οποιαδήποτε διαδικασία να φτάσει το ισόθερμο T = 0 σε έναν πεπερασμένο αριθμό βημάτων"
Θερμοδυναμικές διεργασίες
Στην έννοια της θερμοδυναμικής, οι διεργασίες είναι οι αλλαγές που λαμβάνουν χώρα σε ένα σύστημα και τις μεταφέρουν από μια κατάσταση αρχικής ισορροπίας σε μια κατάσταση τελικής ισορροπίας. Αυτά ταξινομούνται σύμφωνα με τη μεταβλητή που διατηρήθηκε σταθερή καθ 'όλη τη διάρκεια της διαδικασίας.
Μια διαδικασία μπορεί να συμβεί από την τήξη του πάγου, έως την ανάφλεξη του μείγματος αέρα-καυσίμου για την εκτέλεση της κίνησης των εμβόλων σε έναν κινητήρα εσωτερικής καύσης.
Υπάρχουν τρεις συνθήκες που μπορούν να διαφέρουν σε ένα θερμοδυναμικό σύστημα: θερμοκρασία, όγκος και πίεση. Οι θερμοδυναμικές διεργασίες μελετώνται σε αέρια, καθώς τα υγρά είναι ασυμπίεστα και δεν συμβαίνουν αλλαγές όγκου. Επίσης, λόγω των υψηλών θερμοκρασιών, τα υγρά μετατρέπονται σε αέρια. Στα στερεά, δεν πραγματοποιούνται θερμοδυναμικές μελέτες επειδή είναι ασυμπίεστες και δεν υπάρχει μηχανική εργασία σε αυτά.
Τύποι θερμοδυναμικών διεργασιών
Αυτές οι διαδικασίες ταξινομούνται σύμφωνα με την προσέγγισή τους, για να διατηρηθεί μία από τις μεταβλητές σταθερή, είτε θερμοκρασία, πίεση ή όγκος. Επιπλέον, εφαρμόζονται και άλλα κριτήρια, όπως η ανταλλαγή ενέργειας και η τροποποίηση όλων των μεταβλητών της.
Ισοθερμική διαδικασία
Οι ισοθερμικές διεργασίες είναι όλες εκείνες στις οποίες η θερμοκρασία του συστήματος παραμένει σταθερή. Αυτό γίνεται δουλεύοντας, έτσι ώστε οι άλλες μεταβλητές (P και V) να αλλάζουν με την πάροδο του χρόνου.
Ισοβαρική διαδικασία
Η ισοβαρική διαδικασία είναι μια διαδικασία στην οποία η πίεση παραμένει σταθερή. Η διακύμανση της θερμοκρασίας και του όγκου θα καθορίσει την ανάπτυξή της. Η ένταση μπορεί να αλλάξει ελεύθερα όταν αλλάζει η θερμοκρασία.
Ισοχωρικές διεργασίες
Σε ισοχορικές διεργασίες ο όγκος παραμένει σταθερός. Μπορεί επίσης να θεωρηθεί ως εκείνες στις οποίες το σύστημα δεν δημιουργεί καμία εργασία (W = 0).
Βασικά, είναι φυσικά ή χημικά φαινόμενα που μελετώνται σε οποιοδήποτε δοχείο, είτε με ανάδευση είτε όχι.
Αδιαβατική διαδικασία
Η αδιαβατική διαδικασία είναι αυτή η θερμοδυναμική διαδικασία στην οποία δεν υπάρχει ανταλλαγή θερμότητας από το σύστημα προς τα έξω ή προς την αντίθετη κατεύθυνση. Παραδείγματα αυτού του τύπου διαδικασίας είναι αυτά που μπορούν να πραγματοποιηθούν σε θερμό για ποτά.
Φόρτωση…Παραδείγματα θερμοδυναμικών διεργασιών
- Ένα παράδειγμα της ισοσορικής διαδικασίας: Ο όγκος του αερίου διατηρείται σταθερός. Όταν συμβεί οποιοσδήποτε τύπος αλλαγής θερμοκρασίας, θα συνοδεύεται από αλλαγή πίεσης. Όπως συμβαίνει με τον ατμό σε μια χύτρα πίεσης, αυξάνει την πίεση καθώς θερμαίνεται.
- Ως παράδειγμα της ισοθερμικής διαδικασίας: Η θερμοκρασία του αερίου διατηρείται σταθερή. Καθώς ο όγκος αυξάνεται, η πίεση μειώνεται. Για παράδειγμα, ένα μπαλόνι σε μια μηχανή παραγωγής κενού αυξάνει τον όγκο του καθώς δημιουργείται το κενό.
- Σε σχέση με την αδιαβατική διαδικασία: για παράδειγμα, η συμπίεση του εμβόλου σε αντλία φουσκώματος ελαστικών ποδηλάτου, ή η ταχεία αποσυμπίεση του εμβόλου μιας σύριγγας, προηγουμένως τη συμπίεση με την οπή εξόδου συνδεδεμένη.
