Θερμοδυναμική αρχή
Η θερμοδυναμική είναι ένας κλάδος της φυσικής που ασχολείται με τις έννοιες της θερμότητας και της θερμοκρασίας και τη μετατροπή της θερμότητας σε διάφορα είδη ενέργειας. Η θερμοδυναμική είναι μια επιστήμη που μελετάται σε μικροσκοπικό επίπεδο. Ασχολείται με το σύστημα όγκου και δεν ασχολείται με τη μοριακή δομή της ύλης. Στην πραγματικότητα, οι έννοιες και οι κανόνες του αναπτύχθηκαν τον δέκατο ένατο αιώνα, πολύ πριν η μοριακή εικόνα της ύλης είχε σταθεροποιηθεί. Μια μικροσκοπική περιγραφή ενός αερίου, για παράδειγμα, θα συνεπαγόταν τον προσδιορισμό των συντεταγμένων και της ταχύτητας του τεράστιου αριθμού μορίων που συνθέτουν το αέριο. Η μοριακή κατανομή των ταχυτήτων δεν φαίνεται λεπτομερώς στην περιγραφή και την κινητική θεωρία των αερίων. Οι θερμοδυναμικές περιγραφές αερίων, από την άλλη πλευρά, παραλείπουν εντελώς τις μοριακές περιγραφές, αντί να προσδιορίζουν την κατάσταση του αερίου χρησιμοποιώντας μικροσκοπικές μεταβλητές όπως η πίεση, ο όγκος, η θερμοκρασία, η μάζα και η σύνθεση, τα οποία μπορούν να γίνουν αισθητά και να μετρηθούν.
Εντροπία
Η εντροπία είναι ένα μέτρο της δυσλειτουργίας ενός συστήματος. Εκφράζει την ποσότητα ενέργειας που δεν είναι διαθέσιμη για εργασία. Όσο υψηλότερη είναι η εντροπία ενός συστήματος, τόσο λιγότερη ενέργεια είναι διαθέσιμη για την εκτέλεση εργασιών σε αυτό το σύστημα. Αν και όλες οι πηγές ενέργειας μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την εκτέλεση εργασιών, είναι αδύνατο να χρησιμοποιηθεί όλη η διαθέσιμη ενέργεια. Δεν μπορεί όλη η ενέργεια που μεταφέρεται από τη θερμότητα να μετατραπεί σε εργασία και μέρος της σπαταλάται ως απορριπτόμενη θερμότητα ή θερμότητα που δεν χρησιμοποιείται για την εκτέλεση εργασιών. Στη Θερμοδυναμική, η διαθεσιμότητα ενέργειας είναι κρίσιμη. Στην πραγματικότητα, το πεδίο προέκυψε από προσπάθειες μετατροπής της θερμότητας σε εργασία, όπως γίνεται από τους κινητήρες.
Η μονάδα εντροπίας SI είναι joules/kelvin (J/K).
Η εξίσωση για τη μεταβολή της εντροπίας ΔS είναι
∆s=Q/T
Όπου Q είναι η θερμότητα που μεταφέρει ενέργεια κατά τη διάρκεια της διαδικασίας
Το T είναι η απόλυτη θερμοκρασία (Η θερμοδυναμική ορίζει τη θερμοκρασία ως μια ποσότητα διαφορετική από την κινητική θεωρία ή τη μηχανική. Η μέτρηση της θερμοκρασίας του μηδέν είναι ιδιαίτερα σημαντική στη θερμοδυναμική. Έτσι, οποιαδήποτε θερμομετρική κλίμακα στην οποία η ένδειξη 0 αντιστοιχεί στη θεωρητική θερμοκρασία απόλυτου μηδέν είναι γνωστή ως Απόλυτη Θερμοκρασία).
Νόμοι της θερμοδυναμικής
- Πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής
Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής είναι ο παγκόσμιος νόμος της διατήρησης της ενέργειας που ισχύει για όλα τα συστήματα. "Η συνολική μεταβολή της θερμικής ενέργειας σε κάθε σύστημα είναι το άθροισμα της εσωτερικής αλλαγής ενέργειας και της εργασίας που έχει γίνει", λέει αυτός ο νόμος.
Όταν μια συγκεκριμένη ποσότητα θερμότητας, dQ, εφαρμόζεται σε ένα σύστημα, ένα μέρος της χρησιμοποιείται για την αύξηση της εσωτερικής ενέργειας, dU, και ένα μέρος χρησιμοποιείται για την εκτέλεση εξωτερικής εργασίας, dW, με αποτέλεσμα dQ =dU + dW.
Η ειδική θερμοχωρητικότητα των αερίων καθορίζεται από τη διαδικασία ή τις συνθήκες υπό τις οποίες μεταφέρεται η θερμοχωρητικότητα. Για το αέριο, υπάρχουν κυρίως δύο τύποι ειδικής θερμικής ικανότητας. Η ειδική θερμοχωρητικότητα σε σταθερό όγκο και η ειδική θερμοχωρητικότητα σε σταθερή πίεση είναι οι δύο τύποι ειδικής θερμοχωρητικότητας.
Μια σχέση μεταξύ δύο πρωταρχικών ειδικών θερμοκρασιών ενός ιδανικού αερίου μπορεί να βρεθεί χρησιμοποιώντας τον Πρώτο Νόμο της Θερμοδυναμικής. Cp-Cv =R, σύμφωνα με τη σχέση
Οι μοριακές ειδικές θερμοκρασίες Cp και Cv υπολογίζονται υπό συνθήκες σταθερής πίεσης και σταθερού όγκου, αντίστοιχα.
Cp> Cv δείχνει ότι η ειδική θερμοχωρητικότητα ενός αερίου σε σταθερή πίεση είναι μεγαλύτερη από την ειδική θερμοχωρητικότητα του σε σταθερό όγκο. Ο λόγος για αυτό είναι ότι όταν η θερμότητα παρέχεται σε ένα αέριο με σταθερό όγκο, το αέριο δεν λειτουργεί ενάντια στην εξωτερική πίεση και όλη η ενέργεια χρησιμοποιείται για την αύξηση της θερμοκρασίας του αερίου.
Όταν εφαρμόζεται θερμότητα στο αέριο υπό σταθερή πίεση, ο όγκος του αερίου αυξάνεται και η θερμική ενέργεια χρησιμοποιείται για την αύξηση της θερμοκρασίας του αερίου καθώς και για την εκτέλεση εργασιών έναντι της εξωτερικής πίεσης.
Το θερμικό ισοδύναμο της προσπάθειας που γίνεται για την επέκταση του αερίου έναντι της εξωτερικής πίεσης είναι η διαφορά μεταξύ των δύο ειδικών θερμοτήτων.
- Δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής
Ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής είναι μια αρχή που απαγορεύει ορισμένες συμπεριφορές που συνάδουν με τον πρώτο κανόνα της θερμοδυναμικής.
Οι δύο δηλώσεις του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής είναι οι εξής.
Δήλωση Kelvin-Planck:Είναι αδύνατο να κατασκευαστεί μια μηχανή κύκλου που εξάγει θερμότητα από ένα ζεστό σώμα και τη μετατρέπει εντελώς σε εργασία χωρίς καμία αλλαγή, δηλαδή, η 100% μετατροπή της θερμότητας σε εργασία είναι αδύνατη.
Μια θερμική μηχανή είναι μια συσκευή που αναγκάζει ένα σύστημα να περάσει από μια κυκλική διαδικασία που μετατρέπει τη θερμότητα σε λειτουργία. Ένας θερμικός κινητήρας αποτελείται από τρία μέρη:μια πηγή θερμότητας, μια ψύκτρα και μια λειτουργική ουσία.
Το Carnot's Engine είναι ένας φανταστικός χαρακτήρας. Πρότεινε έναν υποθετικό κινητήρα που λειτουργεί μεταξύ δύο θερμοκρασιών και χρησιμοποιεί μια κυκλική/αναστρέψιμη διαδικασία. Η απόδοσή του δίνεται από =1-T2/T1, όπου T1 είναι η θερμοκρασία της πηγής και T2 είναι η θερμοκρασία του νεροχύτη και είναι ανεξάρτητη από την ουσία εργασίας.
Σύμφωνα με το θεώρημα του Carnot, κανένας κινητήρας δεν μπορεί να έχει υψηλότερη απόδοση από τον κινητήρα του Carnot ενώ λειτουργεί μεταξύ δύο δεδομένων θερμοκρασιών T1 και T2 των θερμών και κρύων δεξαμενών, αντίστοιχα, και (β) η απόδοση του κινητήρα Carnot είναι ανεξάρτητη από τη φύση του ουσία εργασίας.
Αρχή της εντροπίας
- Η εντροπία ενός απομονωμένου συστήματος (σύμπαν) που διέρχεται από μια συγκεκριμένη διαδικασία είναι πάντα ίση με μηδέν (στην περίπτωση του αντιστρέψιμου) ή μεγαλύτερη από μηδέν.
- Η θερμότητα ταξιδεύει πάντα από μια ζεστή επιφάνεια σε μια κρύα επιφάνεια.
- Ο βαθμός της τυχαιότητας μετριέται με την εντροπία, η οποία είναι ένα χαρακτηριστικό κατάστασης. ενώ η εντροπία ενός συστήματος μπορεί να είναι αρνητική, η εντροπία του σύμπαντος στο σύνολό του είναι πάντα θετική ή μηδενική (στην περίπτωση των αναστρέψιμων διεργασιών)
Συμπέρασμα
Η θερμοδυναμική είναι ο κλάδος της φυσικής που μελετά τη μετάφραση της θερμότητας σε άλλα είδη ενέργειας και αντίστροφα.
Η επιστήμη της θερμοδυναμικής είναι μακροσκοπική. Επικεντρώνεται στα χύδην συστήματα παρά στη μοριακή δομή των πραγμάτων. Η ενέργεια δεν μπορεί να δημιουργηθεί ή να καταστραφεί σε ένα απομονωμένο σύστημα, σύμφωνα με τον πρώτο νόμο, συχνά γνωστό ως Νόμος της Διατήρησης της Ενέργειας. Η εντροπία οποιουδήποτε απομονωμένου συστήματος αυξάνεται πάντα, σύμφωνα με τον δεύτερο κανόνα της θερμοδυναμικής. Η εντροπία μπορεί να εκληφθεί ως μέτρηση για τη διασπορά ενέργειας. Υπολογίζει την ποσότητα ενέργειας που έχει διαχυθεί σε μια διαδικασία. Οποιαδήποτε ροή ενέργειας είναι πάντα από υψηλή προς χαμηλή. Ως αποτέλεσμα, η εντροπία αυξάνεται πάντα.
