Asas termodinamik, undang-undang dan formula. Formula asas termodinamik Formula termodinamik dengan penjelasan

Termodinamik ialah sains yang mengkaji fenomena haba yang berlaku dalam badan tanpa menghubungkannya dengan struktur molekul bahan.

Dalam termodinamik dipercayai bahawa semua proses terma dalam badan hanya dicirikan oleh parameter makroskopik- tekanan, isipadu dan suhu. Dan kerana ia tidak boleh digunakan pada molekul atau atom individu, maka, tidak seperti teori kinetik molekul, dalam termodinamik struktur molekul bahan dalam proses terma tidak diambil kira.

Semua konsep termodinamik dirumuskan sebagai generalisasi fakta yang diperhatikan semasa eksperimen. Kerana ini, ia dipanggil teori fenomenologi (deskriptif) haba.

Sistem termodinamik

Termodinamik menerangkan proses terma yang berlaku dalam sistem makroskopik. Sistem sedemikian terdiri daripada sejumlah besar zarah - molekul dan atom, dan dipanggil termodinamik.

Sistem termodinamik boleh dianggap sebagai objek yang boleh dilihat dengan mata kasar atau dengan bantuan mikroskop, teleskop dan alat optik lain. Perkara utama ialah dimensi sistem dalam ruang dan masa kewujudannya memungkinkan untuk mengukur parameternya - suhu, tekanan, jisim, komposisi kimia unsur, dll., Menggunakan instrumen yang tidak bertindak balas terhadap pengaruh molekul individu (tolok tekanan, termometer, dll.).

Bagi ahli kimia, sistem termodinamik ialah campuran bahan kimia yang berinteraksi antara satu sama lain semasa tindak balas kimia. Ahli astrofizik akan memanggil sistem sedemikian sebagai badan angkasa. Campuran bahan api dan udara dalam enjin kereta, glob, badan kita, pen menulis, buku nota, mesin, dan lain-lain juga merupakan sistem termodinamik.

Setiap sistem termodinamik dipisahkan daripada persekitarannya mengikut sempadan. Ia boleh menjadi nyata - dinding kaca tabung uji dengan bahan kimia, badan silinder dalam enjin, dsb. Atau mereka boleh bersyarat, apabila, sebagai contoh, mereka mengkaji pembentukan awan di atmosfera.

Jika sistem sedemikian tidak menukar sama ada tenaga atau jirim dengan persekitaran luaran, maka ia dipanggil terpencil atau tertutup .

Jika sistem menukar tenaga dengan persekitaran luaran, tetapi tidak menukar jirim, maka ia dipanggil tertutup .

Sistem terbuka menukar kedua-dua tenaga dan jirim dengan persekitaran luaran.

Keseimbangan termodinamik

Konsep ini juga diperkenalkan ke dalam termodinamik sebagai generalisasi keputusan eksperimen.

Keseimbangan termodinamik mereka memanggil keadaan sistem di mana semua kuantiti makroskopiknya - suhu, tekanan, isipadu dan entropi - tidak berubah mengikut masa jika sistem itu diasingkan. Mana-mana sistem termodinamik tertutup secara spontan boleh masuk ke dalam keadaan sedemikian jika semua parameter luaran kekal malar.

Contoh paling mudah bagi sistem dalam keadaan keseimbangan termodinamik ialah termos teh panas. Suhu di dalamnya adalah sama pada mana-mana titik dalam cecair. Walaupun termos boleh dipanggil sistem terpencil hanya kira-kira.

Mana-mana sistem termodinamik tertutup secara spontan cenderung untuk pergi ke keseimbangan termodinamik jika parameter luaran tidak berubah.

Proses termodinamik

Jika sekurang-kurangnya satu daripada parameter makroskopik berubah, maka mereka mengatakan bahawa sistem sedang mengalami proses termodinamik . Proses sedemikian boleh berlaku jika parameter luaran berubah atau sistem mula menerima atau menghantar tenaga. Akibatnya, ia pergi ke negeri lain.

Mari kita ingat contoh teh dalam termos. Jika kita meletakkan sekeping ais ke dalam teh dan menutup termos, perbezaan suhu akan serta-merta muncul di bahagian cecair yang berlainan. Cecair dalam termos akan cenderung untuk menyamakan suhu. Dari kawasan yang mempunyai suhu yang lebih tinggi, haba akan dipindahkan ke kawasan yang suhunya lebih rendah. Iaitu, proses termodinamik akan berlaku. Akhirnya, suhu teh di dalam termos akan sama semula. Tetapi ia sudah berbeza daripada suhu awal. Keadaan sistem telah berubah kerana suhunya telah berubah.

Proses termodinamik berlaku apabila pasir yang telah dipanaskan di pantai pada hari yang panas menyejuk pada waktu malam. Menjelang pagi suhunya menurun. Tetapi sebaik sahaja matahari terbit, proses pemanasan akan bermula semula.

Tenaga dalaman

Salah satu konsep utama termodinamik ialah tenaga dalaman .

Semua jasad makroskopik mempunyai tenaga dalaman, iaitu jumlah tenaga kinetik dan potensi semua zarah (atom dan molekul) yang membentuk badan. Zarah ini hanya berinteraksi antara satu sama lain dan tidak berinteraksi dengan zarah persekitaran. Tenaga dalaman bergantung kepada tenaga kinetik dan potensi zarah dan tidak bergantung kepada kedudukan badan itu sendiri.

U = Ek +Ep

Tenaga dalaman berubah mengikut suhu. Teori kinetik molekul menjelaskan ini dengan mengubah kelajuan pergerakan zarah jirim. Sekiranya suhu badan meningkat, maka kelajuan pergerakan zarah juga meningkat, jarak antara mereka menjadi lebih besar. Akibatnya, tenaga kinetik dan potensi mereka meningkat. Apabila suhu menurun, proses sebaliknya berlaku.

Untuk termodinamik, apa yang lebih penting bukanlah jumlah tenaga dalaman, tetapi perubahannya. Dan anda boleh menukar tenaga dalaman melalui proses pemindahan haba atau dengan melakukan kerja mekanikal.

Perubahan tenaga dalaman dengan kerja mekanikal

Benjamin Rumford

Tenaga dalaman badan boleh diubah dengan melakukan kerja mekanikal ke atasnya. Jika kerja dilakukan pada badan, maka tenaga mekanikal ditukar kepada tenaga dalaman. Dan jika kerja dilakukan oleh badan, maka tenaga dalamannya bertukar menjadi tenaga mekanikal.

Hampir sehingga akhir abad ke-19, dipercayai bahawa terdapat bahan tanpa berat - kalori, yang memindahkan haba dari badan ke badan. Semakin banyak kalori yang mengalir ke dalam badan, semakin hangat ia, dan sebaliknya.

Walau bagaimanapun, pada tahun 1798, saintis Anglo-Amerika Count Benjamin Rumford mula meragui teori kalori. Sebabnya ialah pemanasan laras senjata semasa penggerudian. Beliau mencadangkan bahawa punca pemanasan adalah kerja mekanikal yang dilakukan semasa geseran gerudi terhadap tong.

Dan Rumford menjalankan eksperimen. Untuk meningkatkan daya geseran, mereka mengambil gerudi yang membosankan dan meletakkan tong itu sendiri dalam tong air. Menjelang penghujung jam ketiga penggerudian, air dalam tong mula mendidih. Ini bermakna tong menerima haba apabila kerja mekanikal dilakukan ke atasnya.

Pemindahan haba

Pemindahan haba ialah proses fizikal pemindahan tenaga haba (haba) dari satu jasad ke jasad yang lain, sama ada melalui sentuhan terus atau melalui partition pembahagi. Sebagai peraturan, haba dipindahkan dari badan yang lebih panas ke yang lebih sejuk. Proses ini berakhir apabila sistem mencapai keadaan keseimbangan termodinamik.

Tenaga yang diterima atau diserahkan oleh badan semasa pemindahan haba dipanggil jumlah haba .

Mengikut kaedah pemindahan haba, pertukaran haba boleh dibahagikan kepada 3 jenis: kekonduksian terma, konvensyen, sinaran terma.

Kekonduksian terma

Sekiranya terdapat perbezaan suhu antara jasad atau bahagian jasad, maka proses pemindahan haba akan berlaku di antaranya. Kekonduksian terma ialah proses pemindahan tenaga dalaman daripada badan yang lebih panas (atau sebahagian daripadanya) kepada badan yang kurang panas (atau sebahagian daripadanya).

Sebagai contoh, dengan memanaskan satu hujung rod keluli di atas api, selepas beberapa ketika kita akan merasakan hujung yang satu lagi juga menjadi panas.

Kita boleh memegang batang kaca dengan mudah, satu hujungnya berwarna merah panas, pada hujung yang lain tanpa terbakar. Tetapi jika kita cuba melakukan eksperimen yang sama dengan batang besi, kita tidak akan berjaya.

Bahan yang berbeza menghantar haba secara berbeza. Setiap daripada mereka mempunyai sendiri pekali kekonduksian terma, atau kekonduksian, secara berangka sama dengan jumlah haba yang melalui sampel setebal 1 m, dengan luas 1 m 2 dalam 1 saat. Unit suhu ialah 1 K.

Logam menghantar haba paling baik. Kami menggunakan harta mereka ini dalam kehidupan seharian, memasak makanan dalam periuk logam atau kuali. Tetapi tangan mereka tidak boleh panas. Oleh itu, ia diperbuat daripada bahan dengan kekonduksian haba yang lemah.

Kekonduksian haba cecair adalah kurang. Dan gas mempunyai kekonduksian terma yang lemah.

Bulu haiwan juga merupakan pengalir haba yang lemah. Terima kasih kepada ini, mereka tidak terlalu panas dalam cuaca panas dan tidak membeku dalam cuaca sejuk.

Konvensyen

Dengan konvensyen, haba dipindahkan oleh jet dan aliran gas atau cecair. Tiada konvensyen dalam pepejal.

Bagaimanakah konvensyen berlaku dalam cecair? Apabila kita meletakkan cerek air di atas api, lapisan bawah cecair menjadi panas, ketumpatannya berkurangan, dan ia bergerak ke atas. Lapisan air yang lebih sejuk mengambil tempatnya. Selepas beberapa lama, ia juga akan menjadi panas dan juga bertukar tempat dengan lapisan yang lebih sejuk. Dan lain-lain.

Proses yang sama berlaku dalam gas. Bukan kebetulan bahawa radiator pemanasan diletakkan di bahagian bawah bilik. Lagipun, udara yang dipanaskan sentiasa naik ke bahagian atas bilik. Dan yang lebih rendah, sejuk, sebaliknya, jatuh. Kemudian ia juga menjadi panas dan naik semula, dan pada masa ini lapisan atas menyejuk dan jatuh.

Konvensyen boleh menjadi semula jadi atau terpaksa.

Konvensyen semula jadi sentiasa berlaku di atmosfera. Akibatnya, terdapat pergerakan berterusan jisim udara hangat ke atas, dan yang sejuk - ke bawah. Akibatnya, angin, awan dan fenomena semula jadi lain timbul.

Apabila konvensyen semula jadi tidak mencukupi, saya menggunakan konvensyen paksa. Contohnya, aliran udara panas dialihkan dalam bilik menggunakan bilah kipas.

Sinaran terma

Matahari memanaskan Bumi. Dalam kes ini, pemindahan haba mahupun konvensyen tidak berlaku. Jadi mengapa badan mendapat haba?

Hakikatnya ialah Matahari adalah sumber sinaran haba.

Sinaran terma - Ini adalah sinaran elektromagnet yang timbul daripada tenaga dalaman badan. Semua badan di sekeliling kita mengeluarkan tenaga haba. Ini mungkin cahaya yang boleh dilihat daripada lampu meja, atau sumber sinaran ultraungu, inframerah atau gamma yang tidak kelihatan.

Tetapi badan melakukan lebih daripada sekadar mengeluarkan haba. Mereka juga menyerapnya. Ada yang pada tahap yang lebih besar, yang lain pada tahap yang lebih rendah. Selain itu, badan gelap panas dan sejuk lebih cepat daripada yang terang. Dalam cuaca panas, kami cuba memakai pakaian berwarna cerah kerana ia kurang menyerap haba berbanding pakaian berwarna gelap. Kereta berwarna gelap panas di bawah sinar matahari lebih cepat daripada kereta berwarna terang berdiri di sebelahnya.

Sifat bahan ini untuk menyerap dan mengeluarkan haba secara berbeza digunakan dalam penciptaan sistem penglihatan malam, sistem homing peluru berpandu, dsb.

Dalam termodinamik, undang-undang yang paling umum dan proses fizikal transformasi tenaga dalaman dikaji. Adalah dipercayai bahawa mana-mana jasad material mempunyai tenaga haba $U$, yang bergantung pada suhunya.

Sebelum mempertimbangkan formula termodinamik asas, adalah perlu untuk menentukan termodinamik.

Definisi 1

Termodinamik ialah cabang fizik yang luas yang mengkaji dan menerangkan proses yang berlaku dalam sistem, serta keadaannya.

Arah saintifik ini berdasarkan fakta umum yang diperoleh secara eksperimen. Fenomena yang berlaku dalam konsep termodinamik diterangkan menggunakan kuantiti makroskopik.

Senarai mereka termasuk parameter seperti:

• tekanan;
• suhu;
• penumpuan;
• tenaga;
• isipadu.

Parameter ini tidak boleh digunakan untuk molekul individu, tetapi dikurangkan kepada penerangan terperinci sistem dalam bentuk amnya. Banyak penyelesaian yang berdasarkan undang-undang termodinamik boleh didapati dalam bidang kuasa elektrik dan kejuruteraan haba. Yang menunjukkan pemahaman tentang peralihan fasa, proses kimia dan fenomena pengangkutan. Dalam beberapa cara, termodinamik rapat "bekerjasama" dengan dinamik kuantum.

Persamaan gas ideal dalam termodinamik

Rajah 1. Bekerja dalam termodinamik. Pengarang24 - pertukaran hasil kerja pelajar dalam talian

Definisi 2

Gas ideal ialah sejenis idealisasi, sama seperti titik material.

Molekul unsur sedemikian adalah titik material, dan perlanggaran zarah benar-benar elastik dan malar. Dalam masalah termodinamik, gas sebenar sering dianggap ideal. Ini menjadikannya lebih mudah untuk menulis formula, dan anda tidak perlu berurusan dengan sejumlah besar kuantiti baharu dalam persamaan.

Jadi, molekul gas ideal bergerak, tetapi untuk mengetahui pada kelajuan dan jisim berapa, anda perlu menggunakan persamaan keadaan gas ideal, atau formula Clapeyron-Mendeleev: $PV = \frac(m)(M )RT$. Di sini $m$ ialah jisim gas yang dikaji, $M$ ialah jisim molekul awalnya, $R$ ialah pemalar sejagat bersamaan dengan 8.3144598 J/(mol*kg).

Dalam aspek ini, jisim gas ideal juga boleh dikira sebagai hasil darab isipadu dan ketumpatan $m = pV$. Terdapat beberapa perkaitan antara tenaga kinetik purata $E$ dan tekanan gas. Hubungan ini dipanggil dalam fizik persamaan asas teori kinetik molekul dan mempunyai bentuk: $p = \frac(2)(3)nE$, di mana $n$ ialah kepekatan molekul yang bergerak berbanding dengan jumlah isipadu, $E $ ialah pekali bagi tenaga kinetik purata.

Hukum pertama termodinamik. Formula untuk isoproses

Rajah 2. Persamaan keadaan gas ideal. Pengarang24 - pertukaran hasil kerja pelajar dalam talian

Undang-undang termodinamik pertama menyatakan: jumlah haba dalaman yang dipindahkan ke gas hanya untuk menukar jumlah tenaga gas $U$ dan untuk melakukan kerja $A$ oleh bahan itu. Formula hukum pertama termodinamik ditulis seperti berikut: $Q = ΔU + A$.

Seperti yang anda ketahui, sesuatu selalu berlaku kepada gas dalam sistem, kerana ia boleh dimampatkan atau dipanaskan. Dalam kes ini, adalah perlu untuk mempertimbangkan proses yang berlaku pada satu parameter yang stabil. Hukum pertama termodinamik dalam kes isoterma, yang berlaku pada suhu malar, melibatkan hukum Boyle-Mariotte.

Hasil daripada proses isoterma, tekanan gas adalah berkadar songsang dengan isipadu asalnya: $Q = A.$

Isokhorik – diperhatikan pada isipadu tetap. Untuk fenomena ini, kami menggunakan hukum Charles, mengikut mana tekanan berkadar terus dengan jumlah suhu. Dalam proses isochorik, semua haba yang dibekalkan kepada gas pergi untuk menukar tenaga dalamannya dan ditulis dalam bentuk berikut: $Q = ΔA.$

Proses isobarik - berlaku pada tekanan malar. Hukum Gay-Lussac mengandaikan bahawa, pada tekanan malar gas ideal, isipadu awalnya adalah berkadar terus dengan suhu yang terhasil. Dalam proses isobarik, haba digunakan untuk melakukan kerja ke atas gas dan untuk menukar potensi tenaga dalaman: $Q = \Delta U+p\Delta V.$

Formula untuk kapasiti haba dan formula utama untuk kecekapan dalam termodinamik

Nota 1

Muatan haba tentu dalam sistem termodinamik sentiasa sama dengan jumlah haba yang dibebaskan untuk memanaskan satu kilogram bahan aktif sebanyak satu darjah Celsius.

Persamaan kapasiti haba ditulis seperti berikut: $c = \frac(Q)(m\Delta t)$. Sebagai tambahan kepada parameter ini, terdapat juga kapasiti haba molar, yang beroperasi pada isipadu dan tekanan malar.

Tindakannya boleh dilihat dalam formula berikut: $C_v = \frac (i)(2)R$ dengan $i$ ialah bilangan darjah kebebasan molekul gas.

Enjin haba, dalam kes paling mudah, terdiri daripada peti sejuk, pemanas dan badan bahan yang berfungsi. Pemanas pada mulanya menyalurkan haba kepada bahan fizikal dan melakukan sejumlah kerja, dan kemudian secara beransur-ansur disejukkan oleh peti sejuk, dan semuanya diulang dalam bulatan. Contoh tipikal enjin haba ialah enjin pembakaran dalaman.

Kecekapan peranti haba dikira menggunakan formula: $n = \frac (Q_h-Q_x )(Q_h ).$

Apabila mengkaji asas dan persamaan termodinamik, anda harus memahami bahawa hari ini terdapat dua kaedah untuk menerangkan proses fizikal yang berlaku dalam badan bahan makroskopik: statistik dan termodinamik.

Kaedah termodinamik dan formulanya memungkinkan untuk mendedahkan dan menerangkan maksud corak eksperimen dalam bentuk hukum Mendeleev-Clapeyron. Adalah penting untuk memahami bahawa konsep termodinamik, tidak seperti sistem fizik molekul, tidak mengkaji interaksi khusus yang berlaku dengan molekul atau atom tertentu, tetapi mempertimbangkan pertukaran berterusan dan sambungan pelbagai jenis haba, tenaga dan kerja.

Persamaan keadaan dan fungsinya

Rajah 4. Persamaan termodinamik keadaan. Pengarang24 - pertukaran hasil kerja pelajar dalam talian

Apabila mengkaji keadaan makro, fungsi keadaan digunakan, yang menganggap penunjuk yang menunjukkan keadaan keseimbangan termodinamik tertentu, bebas daripada latar belakang konsep dan kaedah peralihannya kepada keadaan mutlak.

Fungsi utama negara dalam pembinaan termodinamik yang cekap ialah:

• tenaga dalaman;
• entropi;
• suhu;
• potensi termodinamik.

Walau bagaimanapun, fungsi keadaan dalam termodinamik tidak sepenuhnya bebas, dan untuk sistem homogen mana-mana prinsip termodinamik boleh ditulis sebagai ungkapan dua pembolehubah bebas. Hubungan fungsian sedemikian dipanggil persamaan keadaan umum.

Hari ini, jenis persamaan berikut dibezakan:

• keadaan persamaan terma - mentakrifkan hubungan antara tekanan, suhu dan isipadu;
• persamaan kalori - menyatakan potensi tenaga dalaman sebagai fungsi isipadu dan suhu;
• persamaan kanonik keadaan - ditulis sebagai potensi termodinamik dalam pembolehubah yang sepadan.

Pengetahuan tentang persamaan keadaan adalah sangat penting untuk menggunakan prinsip umum termodinamik dalam amalan. Bagi setiap konsep termodinamik tertentu, ungkapan tersebut ditentukan daripada pengalaman atau kaedah mekanik statistik, dan dalam had termodinamik ia dianggap diberikan apabila sistem ditakrifkan pada mulanya.

Termodinamik (Greek θέρμη - "haba", δύναμις - "daya") ialah cabang fizik yang mengkaji sifat paling umum sistem makroskopik dan kaedah pemindahan dan transformasi tenaga dalam sistem sedemikian.

Dalam termodinamik, keadaan dan proses dikaji, untuk menerangkan konsep suhu yang boleh diperkenalkan. Termodinamik (T.) ialah sains fenomenologi berdasarkan generalisasi fakta eksperimen. Proses yang berlaku dalam sistem termodinamik diterangkan oleh kuantiti makroskopik (suhu, tekanan, kepekatan komponen), yang diperkenalkan untuk menerangkan sistem yang terdiri daripada sejumlah besar zarah dan tidak boleh digunakan untuk molekul dan atom individu, tidak seperti, contohnya, kuantiti yang diperkenalkan dalam mekanik atau elektrodinamik.

Termodinamik fenomenologi moden adalah teori yang ketat yang dibangunkan berdasarkan beberapa postulat. Walau bagaimanapun, sambungan postulat ini dengan sifat dan undang-undang interaksi zarah dari mana sistem termodinamik dibina diberikan oleh fizik statistik. Fizik statistik juga memungkinkan untuk menjelaskan had kebolehgunaan termodinamik.

Undang-undang termodinamik bersifat umum dan tidak bergantung pada butiran khusus struktur jirim pada peringkat atom. Oleh itu, termodinamik berjaya digunakan dalam pelbagai isu sains dan teknologi, seperti tenaga, kejuruteraan haba, peralihan fasa, tindak balas kimia, fenomena pengangkutan dan juga lubang hitam. Termodinamik adalah penting untuk pelbagai bidang fizik dan kimia, teknologi kimia, kejuruteraan aeroangkasa, kejuruteraan mekanikal, biologi sel, kejuruteraan bioperubatan, sains bahan, dan juga menemui aplikasinya dalam bidang seperti ekonomi.

Tahun-tahun penting dalam sejarah termodinamik

• Asal usul termodinamik sebagai sains dikaitkan dengan nama G. Galilei, yang memperkenalkan konsep suhu dan mereka bentuk peranti pertama yang bertindak balas terhadap perubahan suhu ambien (1597).
• Tidak lama kemudian G. D. Fahrenheit (1714), R. Reaumur (1730) dan A. Celsius (1742) mencipta skala suhu mengikut prinsip ini.
• J. Black pada tahun 1757 telah pun memperkenalkan konsep haba pendam pelakuran dan kapasiti haba (1770). Dan Wilcke (J. Wilcke, 1772) memperkenalkan definisi kalori sebagai jumlah haba yang diperlukan untuk memanaskan 1 g air sebanyak 1 °C.
• Lavoisier (A. Lavoisier) dan Laplace (P. Laplace) mereka bentuk kalorimeter pada tahun 1780 (lihat Kalorimetri) dan buat kali pertama secara eksperimen menentukan rentak. kapasiti haba bagi beberapa bahan.
• Pada tahun 1824, S. Carnot (N. L, S. Carnot) menerbitkan karya yang dikhaskan untuk mengkaji prinsip operasi enjin haba.
• B. Clapeyron memperkenalkan perwakilan grafik proses termodinamik dan membangunkan kaedah kitaran infinitesimal (1834).
• G. Helmholtz mencatatkan sifat universal undang-undang pemuliharaan tenaga (1847). Selepas itu, R. Clausius dan W. Thomson (Kelvin; W. Thomson) membangunkan secara sistematik radas teori termodinamik, yang berdasarkan undang-undang pertama termodinamik dan undang-undang kedua termodinamik.
• Perkembangan prinsip ke-2 membawa Clausius kepada definisi entropi (1854) dan perumusan hukum peningkatan entropi (1865).
• Bermula dengan karya J. W. Gibbs (1873), yang mencadangkan kaedah potensi termodinamik, teori keseimbangan termodinamik telah dibangunkan.
• Pada separuh masa ke-2. abad ke-19 kajian tentang gas sebenar telah dijalankan. Peranan khas dimainkan oleh eksperimen T. Andrews, yang pertama kali menemui titik kritikal sistem wap cecair (1861), kewujudannya telah diramalkan oleh D. I. Mendeleev (1860).
• Menjelang akhir abad ke-19. kemajuan besar telah dibuat dalam mendapatkan suhu rendah, akibatnya O2, N2 dan H2 dicairkan.
• Pada tahun 1902, Gibbs menerbitkan karya di mana semua hubungan termodinamik asas diperolehi dalam rangka kerja fizik statistik.
• Hubungan antara kinetik sifat badan dan termodinamiknya. ciri-ciri telah ditubuhkan oleh L. Onsager (L. Onsager, 1931).
• Pada abad ke-20 mengkaji secara intensif termodinamik pepejal, serta cecair kuantum dan hablur cecair, di mana peralihan fasa yang pelbagai berlaku.
• L. D. Landau (1935-37) membangunkan teori umum peralihan fasa berdasarkan konsep pecah simetri spontan.

Bahagian termodinamik

Termodinamik fenomenologi moden biasanya dibahagikan kepada termodinamik keseimbangan (atau klasik), yang mengkaji sistem dan proses termodinamik keseimbangan dalam sistem sedemikian, dan termodinamik bukan keseimbangan, yang mengkaji proses bukan keseimbangan dalam sistem di mana sisihan daripada keseimbangan termodinamik adalah agak kecil dan masih membenarkan termodinamik. penerangan.

Termodinamik keseimbangan (atau klasik).

Dalam termodinamik keseimbangan, pembolehubah seperti tenaga dalaman, suhu, entropi, dan potensi kimia diperkenalkan. Kesemuanya dipanggil parameter termodinamik (kuantiti). Termodinamik klasik mengkaji hubungan parameter termodinamik antara satu sama lain dan dengan kuantiti fizik yang diperkenalkan dalam pertimbangan dalam cabang fizik lain, contohnya, dengan medan graviti atau elektromagnet bertindak ke atas sistem. Tindak balas kimia dan peralihan fasa juga termasuk dalam kajian termodinamik klasik. Walau bagaimanapun, kajian sistem termodinamik di mana transformasi kimia memainkan peranan penting adalah subjek termodinamik kimia, dan kejuruteraan terma berurusan dengan aplikasi teknikal.

Termodinamik klasik merangkumi bahagian berikut:

• prinsip termodinamik (kadang-kadang juga dipanggil undang-undang atau aksiom)
• persamaan keadaan dan sifat sistem termodinamik ringkas (gas ideal, gas sebenar, dielektrik dan magnet, dsb.)
• proses keseimbangan dengan sistem ringkas, kitaran termodinamik
• proses nonequilibrium dan hukum entropi tidak menurun
• fasa termodinamik dan peralihan fasa

Di samping itu, termodinamik moden juga merangkumi bidang berikut:

• rumusan matematik yang ketat bagi termodinamik berdasarkan analisis cembung
• termodinamik bukan meluas

Dalam sistem yang tidak berada dalam keadaan keseimbangan termodinamik, sebagai contoh, dalam gas yang bergerak, anggaran keseimbangan tempatan boleh digunakan, di mana ia diandaikan bahawa hubungan termodinamik keseimbangan dipenuhi secara tempatan pada setiap titik sistem.

Termodinamik tiada keseimbangan

Dalam termodinamik nonequilibrium, pembolehubah dianggap sebagai tempatan bukan sahaja dalam ruang, tetapi juga dalam masa, iaitu, masa boleh memasukkan formulanya secara eksplisit. Mari kita ambil perhatian bahawa karya klasik Fourier "Teori Analitik Haba" (1822), yang didedikasikan untuk isu kekonduksian terma, mendahului bukan sahaja kemunculan termodinamik yang tidak seimbang, tetapi juga karya Carnot "Refleksi pada daya penggerak api dan seterusnya. mesin yang mampu membangunkan daya ini” (1824), yang secara amnya dianggap sebagai titik permulaan dalam sejarah termodinamik klasik.

Konsep asas termodinamik

Sistem termodinamik- badan atau kumpulan badan yang berinteraksi, secara mental atau sebenarnya terasing daripada persekitaran.

Sistem homogen– sistem di dalamnya tiada permukaan yang memisahkan bahagian sistem (fasa) yang berbeza sifat.

Sistem heterogen- sistem di dalamnya terdapat permukaan yang memisahkan bahagian sistem yang berbeza sifatnya.

fasa– satu set bahagian homogen sistem heterogen, sama dalam sifat fizikal dan kimia, dipisahkan daripada bahagian lain sistem dengan antara muka yang boleh dilihat.

Terpencil sistem- sistem yang tidak menukar sama ada jirim atau tenaga dengan persekitaran.

tertutup sistem- sistem yang menukar tenaga dengan persekitaran, tetapi tidak menukar jirim.

Buka sistem- sistem yang menukar kedua-dua jirim dan tenaga dengan alam sekitar.

Keseluruhan semua sifat fizikal dan kimia sesuatu sistem mencirikannya keadaan termodinamik. Semua kuantiti yang mencirikan sebarang sifat makroskopik sistem yang sedang dipertimbangkan adalah parameter status. Telah dibuktikan secara eksperimen bahawa untuk mencirikan sistem tertentu dengan jelas, perlu menggunakan beberapa parameter yang dipanggil. bebas; semua parameter lain dianggap sebagai fungsi parameter bebas. Parameter yang boleh diukur secara langsung, seperti suhu, tekanan, kepekatan, dsb., biasanya dipilih sebagai parameter keadaan bebas. Sebarang perubahan dalam keadaan termodinamik sistem (perubahan dalam sekurang-kurangnya satu parameter keadaan) adalah proses termodinamik.

Proses boleh balik- satu proses yang membolehkan sistem kembali ke keadaan asalnya tanpa sebarang perubahan yang tinggal dalam persekitaran.

Proses keseimbangan– satu proses di mana sistem melalui siri keadaan keseimbangan yang berterusan.

Tenaga– ukuran keupayaan sistem untuk melakukan kerja; ukuran kualitatif umum pergerakan dan interaksi jirim. Tenaga adalah sifat penting bagi jirim. Perbezaan dibuat antara tenaga berpotensi, disebabkan oleh kedudukan jasad dalam medan daya tertentu, dan tenaga kinetik, disebabkan oleh perubahan dalam kedudukan jasad di angkasa.

Tenaga dalaman sistem– jumlah tenaga kinetik dan keupayaan semua zarah yang membentuk sistem. Anda juga boleh mentakrifkan tenaga dalaman sistem sebagai jumlah tenaganya tolak tenaga kinetik dan potensi sistem secara keseluruhan.

Bentuk peralihan tenaga

Bentuk pemindahan tenaga dari satu sistem ke sistem yang lain boleh dibahagikan kepada dua kumpulan.

1. Kumpulan pertama termasuk hanya satu bentuk peralihan gerakan melalui perlanggaran huru-hara molekul dua badan yang bersentuhan, i.e. oleh pengaliran haba (dan pada masa yang sama oleh sinaran). Ukuran pergerakan yang dihantar dengan cara ini ialah haba. Haba adalah satu bentuk pemindahan tenaga melalui pergerakan molekul yang tidak teratur.
2. Kumpulan kedua merangkumi pelbagai bentuk peralihan gerakan, ciri umumnya ialah pergerakan jisim yang meliputi bilangan molekul yang sangat besar (iaitu, jisim makroskopik) di bawah pengaruh sebarang daya. Ini adalah pengangkatan jasad dalam medan graviti, peralihan sejumlah elektrik daripada potensi elektrostatik yang lebih tinggi kepada yang lebih kecil, pengembangan gas di bawah tekanan, dsb. Ukuran umum pergerakan yang dihantar oleh kaedah sedemikian ialah kerja - satu bentuk pemindahan tenaga melalui pergerakan zarah yang teratur.

Haba dan kerja mencirikan secara kualitatif dan kuantitatif dua bentuk pemindahan gerakan yang berbeza dari bahagian tertentu dunia material kepada yang lain. Haba dan kerja tidak boleh terkandung dalam badan. Haba dan kerja timbul hanya apabila proses berlaku, dan hanya mencirikan proses itu. Di bawah keadaan statik, haba dan kerja tidak wujud. Perbezaan antara haba dan kerja, diterima oleh termodinamik sebagai kedudukan permulaan, dan penentangan haba terhadap kerja hanya masuk akal untuk badan yang terdiri daripada banyak molekul, kerana untuk satu molekul atau untuk koleksi beberapa molekul, konsep haba dan kerja kehilangan maknanya. Oleh itu, termodinamik menganggap hanya jasad yang terdiri daripada sebilangan besar molekul, i.e. yang dipanggil sistem makroskopik.

Tiga prinsip termodinamik

Prinsip-prinsip termodinamik ialah satu set postulat yang mendasari termodinamik. Peruntukan ini diwujudkan hasil penyelidikan saintifik dan telah dibuktikan secara eksperimen. Ia diterima sebagai postulat supaya termodinamik boleh dibina secara aksiomatik.

Keperluan untuk prinsip termodinamik adalah disebabkan oleh fakta bahawa termodinamik menerangkan parameter makroskopik sistem tanpa andaian khusus mengenai struktur mikroskopiknya. Fizik statistik memperkatakan isu struktur dalaman.

Prinsip-prinsip termodinamik adalah bebas, iaitu, tiada satu pun daripadanya boleh diperoleh daripada prinsip lain. Analogi tiga undang-undang Newton dalam mekanik ialah tiga prinsip dalam termodinamik, yang menghubungkan konsep "haba" dan "kerja":

• Hukum sifar termodinamik bercakap tentang keseimbangan termodinamik.
• Undang-undang pertama termodinamik adalah mengenai pemuliharaan tenaga.
• Hukum kedua termodinamik ialah mengenai aliran haba.
• Undang-undang ketiga termodinamik adalah mengenai ketidakupayaan sifar mutlak.

Undang-undang umum (sifar) termodinamik

Undang-undang am (sifar) termodinamik menyatakan bahawa dua jasad berada dalam keadaan keseimbangan terma jika mereka boleh memindahkan haba antara satu sama lain, tetapi ini tidak berlaku.

Tidak sukar untuk meneka bahawa dua jasad tidak memindahkan haba antara satu sama lain jika suhunya sama. Contohnya, jika anda mengukur suhu badan manusia menggunakan termometer (pada penghujung pengukuran, suhu orang itu dan suhu termometer akan sama), dan kemudian, menggunakan termometer yang sama, ukur suhu air di dalam bilik mandi, dan ternyata kedua-dua suhu bertepatan (terdapat keseimbangan terma antara orang dan termometer dan termometer dengan air), kita boleh mengatakan bahawa seseorang berada dalam keseimbangan terma dengan air di dalam tab mandi.

Daripada perkara di atas, kita boleh merumuskan hukum sifar termodinamik seperti berikut: dua jasad yang berada dalam keseimbangan terma dengan satu pertiga juga berada dalam keseimbangan terma antara satu sama lain.

Dari sudut pandangan fizikal, hukum sifar termodinamik menetapkan titik rujukan, kerana tiada aliran haba antara dua jasad yang mempunyai suhu yang sama. Dalam erti kata lain, kita boleh mengatakan bahawa suhu tidak lebih daripada penunjuk keseimbangan terma.

Undang-undang pertama termodinamik

Undang-undang pertama termodinamik ialah undang-undang pemuliharaan tenaga haba, yang menyatakan bahawa tenaga tidak hilang tanpa meninggalkan kesan.

Sistem ini sama ada boleh menyerap atau membebaskan tenaga haba Q, manakala sistem melakukan kerja W pada badan sekeliling (atau badan sekeliling melakukan kerja pada sistem), dan tenaga dalaman sistem, yang mempunyai nilai awal Uninit, akan sama dengan Uend:

Uend-Ustart = ΔU = Q-W

Tenaga terma, kerja dan tenaga dalaman menentukan jumlah tenaga sistem, yang merupakan nilai malar. Jika sejumlah tenaga haba Q dipindahkan ke (diambil) daripada sistem, jika tiada kerja, jumlah tenaga dalaman sistem U akan meningkat (menurun) sebanyak Q.

Hukum kedua termodinamik

Undang-undang kedua termodinamik menyatakan bahawa tenaga haba boleh bergerak hanya dalam satu arah - dari jasad dengan suhu lebih tinggi ke jasad dengan suhu lebih rendah, tetapi bukan sebaliknya.

Undang-undang ketiga termodinamik

Undang-undang ketiga termodinamik menyatakan bahawa sebarang proses yang terdiri daripada bilangan peringkat terhingga tidak akan membenarkannya mencapai suhu sifar mutlak (walaupun ia boleh didekati dengan ketara).

Tenaga dalaman gas ideal.

Tenaga dalaman U i.g. bagi gas ideal ialah tenaga kinetik pergerakan molekul:

Tenaga dalaman gas ideal ialah fungsi keadaan. Ia hanya bergantung pada keadaan gas, dan bukan pada laluan di mana ia dibawa ke keadaan ini.

Tenaga dalaman gas sebenar.

Tenaga dalaman gas sebenar bergantung pada suhu, isipadu dan struktur molekulnya:

Tenaga dalaman gas sebenar termasuk tenaga kinetik translasi, putaran E putaran dan getaran E getaran pergerakan molekul, serta tenaga keupayaan E n interaksi mereka.

Undang-undang pertama termodinamik.

Undang-undang pemuliharaan tenaga seperti yang digunakan untuk fenomena haba dipanggil undang-undang pertama termodinamik.

Rumusan asas hukum pertama termodinamik.

Jumlah haba yang diberikan kepada sistem pergi untuk menukar tenaga dalamannya dan untuk melakukan kerja pada badan luaran:

Satu lagi rumusan undang-undang pertama termodinamik.

Adalah mustahil untuk melaksanakan mesin gerakan kekal jenis pertama.

Hukum pertama termodinamik dan proses termodinamik.

Proses Isokhorik:

Proses isobarik:

di mana:

Proses isoterma:

Proses adiabatik.

Adiabatik ialah satu proses di mana sistem tidak menerima mahupun membebaskan tenaga melalui pemindahan haba, iaitu

Dalam kes ini kerja adalah sama dengan:

Arah proses terma.

Dalam keadaan apa pun, tenaga dalaman badan tidak boleh ditukar sepenuhnya kepada jenis tenaga lain. Ini menentukan arah proses dalam alam semula jadi.

Hukum kedua termodinamik.

Tenaga dalaman tidak boleh dipindahkan secara spontan daripada jasad dengan suhu lebih rendah ke jasad dengan suhu lebih tinggi.

Satu lagi rumusan undang-undang kedua termodinamik.

Mesin gerakan kekal jenis kedua tidak mungkin.

Kecekapan enjin haba:

Kecekapan enjin haba sebenar ialah

Q 1 - jumlah haba yang diambil dari pemanas, Q 2 - jumlah haba yang dipindahkan ke peti sejuk.

Enjin haba yang ideal. Kitaran Carnot.

Apabila menggunakan kitaran Carnot, yang merangkumi dua proses isoterma dan dua proses adiabatik, kecekapan maksimum enjin haba dicapai

T 1 - suhu pemanas, T 2 - suhu peti sejuk dalam Kelvin.

Termodinamik– satu cabang fizik yang mengkaji jasad dalam keadaan keseimbangan termodinamik dan fenomena yang mengiringi peralihan antara keadaan ini.

Keseimbangan termodinamik– keadaan jasad (atau bahagian badan), di mana semua kuantiti yang mencirikan jasad ini (atau bahagian badan) kekal malar: isipadu, tekanan, lokasi jisim, dsb.

Suhu- satu-satunya kuantiti fizik yang sentiasa sama untuk semua jasad (atau bahagian badan) yang berada dalam keadaan keseimbangan termodinamik.

Termometer- alat untuk mengukur suhu. Unit suhu ialah 1 kelvin (1 K). 1 °C bersamaan 1 K juga digunakan.

Pertukaran haba- peralihan tenaga dalaman satu badan kepada tenaga dalaman badan lain tanpa melakukan kerja mekanikal.

Kuantiti haba– kuantiti fizik yang menunjukkan tenaga yang diterima (diberi) oleh jasad semasa pertukaran haba.

Kalorimeter- alat untuk mengukur jumlah haba. Unit haba ialah 1 joule (1 J).

Muatan haba tentu bahan– kuantiti fizik yang menunjukkan jumlah haba yang diperlukan untuk menukar suhu 1 kg bahan ini sebanyak 1 °C. Unit muatan haba tentu ialah 1 J/(kg °C).

Jumlah haba yang diterima (diberi) oleh jasad semasa pertukaran haba adalah berkadar dengan jisim badan dan perubahan suhunya. Pekali perkadaran ialah kapasiti haba tentu bahan.

Perubahan pepejal kepada cecair dipanggil lebur. Fenomena sebaliknya dipanggil pengerasan. Jika ini menghasilkan jasad kristal, maka pemejalan dipanggil penghabluran.

Suhu

Takat lebur ialah suhu di mana jasad kristal yang dipanaskan mula mencair, dan pada masa yang sama, keadaan pepejal dan cecair bahannya wujud serentak.

Suhu penghabluran ialah suhu di mana cecair yang disejukkan mula menghablur, dan pada masa yang sama keadaan pepejal dan cecairnya wujud.

Biasanya, suhu penghabluran bahan adalah sama dengan takat leburnya. Suhu lebur/penghabluran sesuatu bahan bergantung kepada tekanan luar dan faktor lain.

Haba tentu pelakuran– kuantiti fizik yang menunjukkan jumlah haba yang diperlukan untuk lebur atau dibebaskan semasa penghabluran 1 kg bahan pada suhu lebur/penghabluran. Unit haba tentu pelakuran ialah 1 J/kg.

Jumlah haba yang diserap (dibebaskan) semasa peleburan (penghabluran) adalah berkadar dengan jisim bahan cair (penghabluran). Pekali perkadaran ialah haba tentu pelakuran sesuatu bahan.

Jenis pengewapan ialah: penyejatan– pengewapan yang berlaku daripada permukaan cecair; mendidih– pengewapan yang berlaku di seluruh isipadu cecair akibat pembentukan dan naik ke permukaan gelembung wap; pemejalwapan– pengewapan yang berlaku daripada permukaan pepejal.

Takat didih ialah suhu di mana pendidihan bahan berlaku (pengejatan intensif sepanjang keseluruhan isipadu bahan ini). Takat didih bergantung kepada tekanan luaran dan faktor lain.

Haba tentu pengewapan– kuantiti fizik yang menunjukkan jumlah haba yang diperlukan untuk menukar 1 kg bahan kepada wap (biasanya pada takat didih). Unit haba tentu pengewapan ialah 1 J/kg.

Jumlah haba yang diserap oleh cecair mendidih (atau menguap pada suhu malar) adalah berkadar terus dengan jisim wap yang terbentuk. Pekali perkadaran ialah haba tentu pengewapan bahan.

Semasa penyejukan/penghabluran/kondensasi, jumlah haba yang dibebaskan sama persis seperti yang dibelanjakan untuk pemanasan/pencairan/pengewapan bahan (jika suhu dan tekanan semasa proses ke hadapan dan ke belakang sepadan antara satu sama lain). Kenyataan itu akan menjadi benar dan begitu juga sebaliknya.

Undang-undang termodinamik

Undang-undang pertama termodinamik mewujudkan kesamaan antara perubahan dalam tenaga dalaman badan dan jumlah haba yang diterima oleh badan dan kerja yang dilakukan ke atasnya.

Enjin haba- peranti beroperasi secara berkala yang berfungsi untuk menukar tenaga dalaman bendalir kerja (biasanya gas atau wap) kepada tenaga mekanikal.

Jumlah haba yang dibebaskan semasa pembakaran lengkap bahan (bahan api) adalah berkadar terus dengan jisim bahan terbakar (bahan api). Pekali perkadaran – haba khusus pembakaran bahan api.

Diketahui tiga kaedah pemindahan haba(pertukaran haba)– kekonduksian terma, perolakan dan sinaran. Pada kekonduksian terma haba menembusi bahan tanpa menggerakkannya (jika tiada bahan, kekonduksian terma adalah sifar). Pada perolakan haba digerakkan oleh bahan bergerak yang tidak sekata (di bawah keadaan di mana daya Archimedean mungkin timbul). Pada sinaran haba dipindahkan melalui ruang atau jirim dalam bentuk gelombang elektromagnet (untuk sinaran, kehadiran jirim tidak diperlukan, tidak seperti dua kaedah pemindahan haba pertama).

Hukum kedua termodinamik menyatakan bahawa pertukaran haba secara bebas berjalan hanya dalam arah sedemikian sehingga suhu badan yang kurang panas meningkat, dan suhu badan yang lebih panas berkurangan.

Bahan tambahan mengenai topik:

Facebook

Twitter

Bersentuhan dengan

Rakan sekelas

Google+