Τι είναι η θερμοδυναμική; Αυτός είναι ένας κλάδος της φυσικής που ασχολείται με τη μελέτη των ιδιοτήτων των μακροσκοπικών συστημάτων. Ταυτόχρονα, οι μέθοδοι μετατροπής της ενέργειας και οι μέθοδοι μεταφοράς της εμπίπτουν επίσης στη μελέτη. Η θερμοδυναμική είναι ένας κλάδος της φυσικής που μελετά τις διεργασίες που συμβαίνουν στα συστήματα και τις καταστάσεις τους. Θα μιλήσουμε για το τι άλλο υπάρχει στη λίστα με τα πράγματα που μελετά.
Ορισμός
Στην παρακάτω εικόνα μπορείτε να δείτε ένα παράδειγμα θερμογράμματος που λαμβάνεται κατά τη μελέτη μιας κανάτας με ζεστό νερό.
Η Θερμοδυναμική είναι μια επιστήμη που βασίζεται σε γενικευμένα δεδομένα που λαμβάνονται εμπειρικά. Οι διεργασίες που συμβαίνουν σε θερμοδυναμικά συστήματα περιγράφονται χρησιμοποιώντας μακροσκοπικά μεγέθη. Η λίστα τους περιλαμβάνει παραμέτρους όπως συγκέντρωση, πίεση, θερμοκρασία και παρόμοια. Είναι σαφές ότι δεν ισχύουν για μεμονωμένα μόρια, αλλά περιορίζονται σε μια περιγραφή του συστήματος στη γενική του μορφή (σε αντίθεση με τις ποσότητες που χρησιμοποιούνται στην ηλεκτροδυναμική, για παράδειγμα).
Η θερμοδυναμική είναι ένας κλάδος της φυσικής που έχει επίσης τους δικούς του νόμους. Αυτά, όπως και τα υπόλοιπα, είναι γενικής φύσεως. Συγκεκριμένες λεπτομέρειες της δομής του αοποιαδήποτε άλλη ουσία έχουμε επιλέξει δεν θα έχει σημαντική επίδραση στη φύση των νόμων. Γι' αυτό λένε ότι αυτός ο κλάδος της φυσικής είναι ένας από τους πιο εφαρμόσιμους (ή μάλλον, επιτυχώς εφαρμοσμένους) στην επιστήμη και την τεχνολογία.
Αίτηση
Η λίστα των παραδειγμάτων μπορεί να είναι πολύ μεγάλη. Για παράδειγμα, πολλές λύσεις που βασίζονται σε θερμοδυναμικούς νόμους μπορούν να βρεθούν στον τομέα της θερμικής μηχανικής ή της βιομηχανίας ηλεκτρικής ενέργειας. Περιττό να πούμε για την περιγραφή και την κατανόηση των χημικών αντιδράσεων, των μεταπτώσεων φάσης, των φαινομένων μεταφοράς. Κατά κάποιο τρόπο, η θερμοδυναμική «συνεργάζεται» με την κβαντική δυναμική. Η σφαίρα της επαφής τους είναι μια περιγραφή του φαινομένου των μαύρων τρυπών.
Νόμοι
Η παραπάνω εικόνα δείχνει την ουσία μιας από τις θερμοδυναμικές διεργασίες - τη μεταφορά. Θερμά στρώματα ύλης ανεβαίνουν, ψυχρά στρώματα πέφτουν.
Ένα εναλλακτικό όνομα για τους νόμους, το οποίο, παρεμπιπτόντως, χρησιμοποιείται πιο συχνά, είναι η αρχή της θερμοδυναμικής. Μέχρι σήμερα, υπάρχουν τρία από αυτά (συν ένα "μηδέν" ή "γενικό"). Αλλά πριν μιλήσουμε για το τι συνεπάγεται ο καθένας από τους νόμους, ας προσπαθήσουμε να απαντήσουμε στο ερώτημα ποιες είναι οι αρχές της θερμοδυναμικής.
Είναι ένα σύνολο συγκεκριμένων αξιωμάτων που αποτελούν τη βάση για την κατανόηση των διαδικασιών που συμβαίνουν στα μακροσυστήματα. Οι διατάξεις των αρχών της θερμοδυναμικής καθιερώθηκαν εμπειρικά καθώς πραγματοποιήθηκε μια ολόκληρη σειρά πειραμάτων και επιστημονικής έρευνας. Έτσι, υπάρχουν κάποια στοιχείαεπιτρέποντάς μας να υιοθετήσουμε τα αξιώματα χωρίς καμία αμφιβολία για την ακρίβειά τους.
Μερικοί άνθρωποι αναρωτιούνται γιατί η θερμοδυναμική χρειάζεται αυτούς ακριβώς τους νόμους. Λοιπόν, μπορούμε να πούμε ότι η ανάγκη χρήσης τους οφείλεται στο γεγονός ότι σε αυτή την ενότητα της φυσικής, οι μακροσκοπικές παράμετροι περιγράφονται με γενικό τρόπο, χωρίς καμία υπόδειξη της μικροσκοπικής φύσης τους ή των χαρακτηριστικών του ίδιου σχεδίου. Αυτό δεν είναι το πεδίο της θερμοδυναμικής, αλλά της στατιστικής φυσικής, για να γίνουμε πιο συγκεκριμένοι. Ένα άλλο σημαντικό πράγμα είναι το γεγονός ότι οι αρχές της θερμοδυναμικής είναι ανεξάρτητες μεταξύ τους. Δηλαδή, ένα από τα δεύτερα δεν θα λειτουργήσει.
Αίτηση
Η εφαρμογή της θερμοδυναμικής, όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, πηγαίνει προς πολλές κατευθύνσεις. Παρεμπιπτόντως, μια από τις αρχές του λαμβάνεται ως βάση, η οποία ερμηνεύεται διαφορετικά με τη μορφή του νόμου της διατήρησης της ενέργειας. Θερμοδυναμικές λύσεις και αξιώματα εφαρμόζονται με επιτυχία σε βιομηχανίες όπως η βιομηχανία ενέργειας, η βιοϊατρική και η χημεία. Εδώ στη βιολογική ενέργεια χρησιμοποιούνται ευρέως ο νόμος της διατήρησης της ενέργειας και ο νόμος της πιθανότητας και της κατεύθυνσης της θερμοδυναμικής διαδικασίας. Μαζί με αυτό, χρησιμοποιούνται εκεί οι τρεις πιο κοινές έννοιες, στις οποίες βασίζεται ολόκληρο το έργο και η περιγραφή του. Αυτό είναι ένα θερμοδυναμικό σύστημα, διαδικασία και φάση διεργασίας.
Διαδικασίες
Οι διαδικασίες στη θερμοδυναμική έχουν ποικίλους βαθμούς πολυπλοκότητας. Είναι επτά από αυτά. Σε γενικές γραμμές, η διαδικασία σε αυτή την περίπτωση δεν πρέπει να κατανοηθεί ως τίποτα περισσότερο από μια αλλαγή στη μακροσκοπική κατάσταση, στοπου το σύστημα είχε δοθεί νωρίτερα. Πρέπει να γίνει κατανοητό ότι η διαφορά μεταξύ της υπό όρους αρχικής κατάστασης και του τελικού αποτελέσματος μπορεί να είναι αμελητέα.
Αν η διαφορά είναι απείρως μικρή, τότε μπορούμε να ονομάσουμε στοιχειώδη τη διαδικασία που έχει λάβει χώρα. Αν συζητήσουμε διαδικασίες, θα πρέπει να καταφύγουμε στην αναφορά πρόσθετων όρων. Ένα από αυτά είναι το «εργατικό σώμα». Ένα ρευστό εργασίας είναι ένα σύστημα στο οποίο λαμβάνουν χώρα μία ή περισσότερες θερμικές διεργασίες.
Οι διεργασίες χωρίζονται συμβατικά σε μη-ισορροπίας και ισορροπίας. Στην περίπτωση του τελευταίου, όλες οι καταστάσεις από τις οποίες πρέπει να περάσει το θερμοδυναμικό σύστημα είναι, αντίστοιχα, μη ισορροπημένες. Συχνά, η αλλαγή των καταστάσεων συμβαίνει σε τέτοιες περιπτώσεις με γρήγορους ρυθμούς. Αλλά οι διεργασίες ισορροπίας είναι κοντά σε οιονεί στατικές. Σε αυτές, οι αλλαγές είναι μια τάξη μεγέθους πιο αργές.
Οι θερμικές διεργασίες που συμβαίνουν σε θερμοδυναμικά συστήματα μπορεί να είναι αναστρέψιμες και μη αναστρέψιμες. Για να κατανοήσουμε την ουσία, ας χωρίσουμε την ακολουθία των ενεργειών σε ορισμένα διαστήματα στην αναπαράστασή μας. Αν μπορούμε να κάνουμε την ίδια διαδικασία αντίστροφα με τους ίδιους «σταθμούς διαδρομής», τότε μπορεί να ονομαστεί αναστρέψιμη. Διαφορετικά, δεν θα λειτουργήσει.
