Kaj je termodinamika:
Termodinamika je veja fizike, ki preučuje razmerje med toploto, uporabljeno silo (znano tudi kot delo) in prenosom energije.
Beseda termodinamika izhaja iz grških korenin θερμο- (termo-) kar pomeni "toplota" in δυναμικός (dynamikós), kar pa izhaja iz δύναμις (dinami), kar pomeni "moč" ali "moč".
Termodinamične procese določajo trije osnovni zakoni.
- Prvi zakon nam omogoča razumevanje varčevanja z energijo.
- Drugi zakon se uporablja za poznavanje pogojev, potrebnih za prenos energije.
- Tretji zakon služi poznavanju vedenja sistemov v ravnovesju.
Razumevanje termodinamičnih procesov je pomembno na področjih, kot je industrijsko inženirstvo, kjer je treba za pogon več strojev porabiti velike količine energije.
Zakoni termodinamike nam omogočajo tudi razumevanje delovanja sistemov na področjih, kot so biokemija, kozmologija in genetika.
Zakoni termodinamike
V termodinamiki obstajajo trije zakoni, ki pojasnjujejo, kako toplota in energija delujeta in se prenašata. Podrobneje jih bomo razložili spodaj.
Prvi zakon termodinamike
Prvi zakon se ukvarja z ohranjanjem energije: energija se niti ne ustvarja niti uničuje, temveč se samo preoblikuje. Na primer:
- Sončna energija se za bencinski servis pretvori v električno energijo.
- Ta električna energija se lahko uporablja za polnjenje akumulatorja električnega avtomobila.
- Električni avto lahko akumulirano energijo pretvori v izpodriv.
Energija je zato vedno v gibanju.
Poenostavljena formula bi bila naslednja:
Drugi zakon termodinamike
Drugi zakon termodinamike omogoča določitev dveh stvari:
- Smer, v kateri se zgodi prenos energije.
- Pogoji, ki so potrebni, da se postopek obrne.
Od tu izvemo, da obstajajo reverzibilni in nepovratni procesi.
Namizna sol se na primer spontano meša z vodo s postopkom, imenovanim redčenje. Ta postopek sprošča toploto.
Da bi ta postopek obrnili in ponovno oblikovali kristale soli, je treba uporabiti toploto, ki vodi omogoča, da izhlapi in jo loči od soli. Sistem absorbira toploto.
Poenostavljena formula bi bila naslednja:
Tretji zakon termodinamike
Tretji zakon termodinamike združuje dva prejšnja zakona in ju uporablja za sisteme v absolutnem ravnovesju. V tem stanju obstaja minimalna izmenjava energije in največja stopnja motnje (ali entropije).
Tretji zakon se uporablja za zaprte sisteme. Te vrste sistemov vidimo samo v teoretični fiziki in kemiji.
Poenostavljena formula bi bila naslednja:
Vrste sistemov v termodinamiki
Za razumevanje zakonov termodinamike je najprej pomembno poznati vrste sistemov, ki obstajajo, in njihovo vedenje.
Vse okoli nas je sestavljeno iz sistemov in večina sistemov, ki jih poznamo, izmenjuje energijo. Sistemi so razvrščeni v tri vrste: odprti, zaprti in izolirani.
- Odprti sistemi: z zunanjo si izmenjujejo energijo in snov (na primer kres).
- Zaprti sistemi: energijo si izmenjujejo samo z zunanjostjo (na primer mobilni telefon).
- Izolirani sistemi: Ne spreminjajo si snovi ali energije (so le teoretični).
Medtem ko prvi in drugi zakon termodinamike veljata za odprte in zaprte sisteme, tretji zakon velja za izolirane sisteme.
Stanje sistema
Obstajata dve temeljni stanji, v katerih lahko najdemo sisteme (ne glede na njihovo vrsto).
- Aktivni sistemi: če pride do izmenjave energije, naj bi bil sistem aktiven.
- Sistemi v mirovanju ali ravnotežju: če ni izmenjave energije, se šteje, da sistem miruje ali je v ravnovesju.
Prenos toplote in toplote v termodinamiki
Po fiziki je toplota pretok energije, ki obstaja, ko prideta v stik dva sistema z različnimi temperaturami. Toplotno ravnovesje se doseže, ko vsi vključeni sistemi dosežejo enako temperaturo.
V termodinamičnih sistemih, če sta dva v ravnovesju s tretjim sistemom, sta tudi v ravnovesju med seboj. Zato je pri doseganju ravnotežja temperatura konstanta.
