Τι είναι η θερμοδυναμική:
Η θερμοδυναμική είναι ο κλάδος της φυσικής που μελετά τη σχέση μεταξύ θερμότητας, εφαρμοζόμενης δύναμης (επίσης γνωστής ως εργασία) και μεταφοράς ενέργειας.
Η λέξη θερμοδυναμική προέρχεται από τις ελληνικές ρίζες θερμο- (θερμο-) που σημαίνει «θερμότητα» και μαθημικός (dynamikós), που με τη σειρά του προέρχεται από δύναμημις (dýnamis), που σημαίνει «δύναμη» ή «δύναμη».
Οι θερμοδυναμικές διεργασίες καθορίζονται από τρεις βασικούς νόμους.
- Ο πρώτος νόμος μας επιτρέπει να κατανοήσουμε πώς εξοικονομείται ενέργεια.
- Ο δεύτερος νόμος χρησιμοποιείται για να γνωρίζει τις προϋποθέσεις που απαιτούνται για τη μεταφορά ενέργειας.
- Ο τρίτος νόμος χρησιμεύει για να γνωρίζει τη συμπεριφορά των συστημάτων στην ισορροπία.
Η κατανόηση των θερμοδυναμικών διεργασιών είναι σημαντική σε τομείς όπως η βιομηχανική μηχανική όπου πρέπει να χρησιμοποιούνται μεγάλες ποσότητες ενέργειας για τη λειτουργία πολλαπλών μηχανών.
Οι νόμοι της θερμοδυναμικής μας επιτρέπουν επίσης να κατανοήσουμε τη λειτουργία των συστημάτων σε τομείς όπως η βιοχημεία, η κοσμολογία και η γενετική.
Νόμοι της θερμοδυναμικής
Υπάρχουν τρεις νόμοι στη θερμοδυναμική που εξηγούν πώς λειτουργούν και μεταδίδονται η θερμότητα και η ενέργεια. Θα τα εξηγήσουμε λεπτομερώς παρακάτω.
Πρώτος Νόμος Θερμοδυναμικής
Ο πρώτος νόμος ασχολείται με τη διατήρηση της ενέργειας: η ενέργεια δεν δημιουργείται ούτε καταστρέφεται, αλλά μεταμορφώνεται μόνο. Για παράδειγμα:
- Η ηλιακή ενέργεια μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια για ένα πρατήριο καυσίμων.
- Αυτή η ηλεκτρική ενέργεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη φόρτιση της μπαταρίας του ηλεκτρικού αυτοκινήτου.
- Το ηλεκτρικό αυτοκίνητο μπορεί να μετατρέψει τη συσσωρευμένη ενέργεια σε μετατόπιση.
Η ενέργεια, λοιπόν, είναι πάντα σε κίνηση.
Ο απλοποιημένος τύπος θα ήταν ο ακόλουθος:
Δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής
Ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής επιτρέπει να προσδιοριστούν δύο πράγματα:
- Η κατεύθυνση στην οποία πραγματοποιείται η μεταφορά ενέργειας.
- Οι προϋποθέσεις που είναι απαραίτητες για την αντιστροφή της διαδικασίας.
Από εδώ μαθαίνουμε ότι υπάρχουν αναστρέψιμες και μη αναστρέψιμες διαδικασίες.
Για παράδειγμα, το επιτραπέζιο αλάτι αναμιγνύεται αυτόματα με νερό μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται αραίωση. Αυτή η διαδικασία απελευθερώνει θερμότητα.
Προκειμένου να αντιστραφεί αυτή η διαδικασία και να αναμορφωθούν οι κρύσταλλοι αλατιού, πρέπει να εφαρμοστεί θερμότητα, η οποία επιτρέπει στο νερό να εξατμιστεί και να το διαχωρίσει από το άλας. Το σύστημα απορροφά θερμότητα.
Ο απλοποιημένος τύπος θα ήταν ο ακόλουθος:
Τρίτος νόμος της θερμοδυναμικής
Ο τρίτος νόμος της θερμοδυναμικής συνδυάζει τους δύο προηγούμενους νόμους και τους εφαρμόζει σε συστήματα σε απόλυτη ισορροπία. Σε αυτήν την κατάσταση υπάρχει μια ελάχιστη ανταλλαγή ενέργειας και ένας μέγιστος βαθμός διαταραχής (ή εντροπίας).
Ο τρίτος νόμος εφαρμόζεται σε κλειστά συστήματα. Αυτοί οι τύποι συστημάτων φαίνονται μόνο στη θεωρητική φυσική και τη χημεία.
Ο απλοποιημένος τύπος θα ήταν ο εξής:
Τύποι συστημάτων θερμοδυναμικής
Για να κατανοήσουμε τους νόμους της θερμοδυναμικής, είναι πρώτα σημαντικό να γνωρίζουμε τους τύπους των συστημάτων που υπάρχουν και τη συμπεριφορά τους.
Όλα γύρω μας αποτελούνται από συστήματα και τα περισσότερα από τα συστήματα που γνωρίζουμε ανταλλάσσουν ενέργεια. Τα συστήματα ταξινομούνται σε τρεις τύπους: ανοιχτά, κλειστά και απομονωμένα.
- Ανοιχτά συστήματα: ανταλλάσσουν ενέργεια και ύλη με το εξωτερικό (για παράδειγμα, μια φωτιά).
- Κλειστά συστήματα: ανταλλάσσουν ενέργεια μόνο με το εξωτερικό (για παράδειγμα, ένα κινητό τηλέφωνο).
- Απομονωμένα συστήματα: Δεν ανταλλάσσουν ύλη ή ενέργεια (είναι μόνο θεωρητικά).
Ενώ ο πρώτος και ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής ισχύουν για ανοιχτά και κλειστά συστήματα, ο τρίτος νόμος ισχύει για μεμονωμένα συστήματα.
Κατάσταση συστήματος
Υπάρχουν δύο θεμελιώδεις καταστάσεις στις οποίες μπορούν να βρεθούν συστήματα (ανεξάρτητα από τον τύπο τους).
- Ενεργά συστήματα: εάν υπάρχει ανταλλαγή ενέργειας, το σύστημα λέγεται ότι είναι ενεργό.
- Συστήματα σε ηρεμία ή ισορροπία: Εάν δεν υπάρχει ανταλλαγή ενέργειας, το σύστημα θεωρείται σε ηρεμία ή σε ισορροπία.
Μεταφορά θερμότητας και θερμότητας στη θερμοδυναμική
Σύμφωνα με τη φυσική, η θερμότητα είναι η ροή ενέργειας που υπάρχει όταν έρχονται σε επαφή δύο συστήματα διαφορετικών θερμοκρασιών. Η θερμική ισορροπία επιτυγχάνεται όταν όλα τα εμπλεκόμενα συστήματα φτάνουν στην ίδια θερμοκρασία.
Στα θερμοδυναμικά συστήματα εάν δύο από αυτά βρίσκονται σε ισορροπία με ένα τρίτο σύστημα, τότε είναι επίσης σε ισορροπία μεταξύ τους. Επομένως, όταν επιτυγχάνεται ισορροπία, η θερμοκρασία είναι σταθερή.
