Закони термодинаміки, як правило, досить просто сформулювати і зрозуміти, тому легко можна недооцінити дію, що надається ними. Вони впливають на багато процесів, у тому числі на те, як енергія може бути використана у Всесвіті.
Визначення і поняття
Термодинаміка – це розділ фізики, який займається взаємовідносинами між теплом та іншими формами енергії. Зокрема, він описує, як теплова енергія перетворюється в інші види і впливає на матерію.
Основні принципи термодинаміки мають три закони:
- Перше начало термодинаміки свідчить, що тепло є формою енергії, тому термодинамічні процеси підпорядковуються принципу її збереження. Це означає, що теплова енергія не може бути створена або знищена, однак її можна перенести з одного місця в інше і перетворити в інші види. Зміна енергії неізольованої термодинамічної системи дорівнює різниці між кількістю теплоти, переданої системі, і роботою, що зроблена системою над зовнішніми силами.
- Другий початок термодинаміки свідчить, що ентропія будь-якої замкнутої ізольованої системи завжди збільшується. Ізольовані системи мимовільно еволюціонують в напрямку теплової рівноваги – стану максимальної ентропії (міра впорядкованості) системи. Ентропія Всесвіту (гранично ізольована система) тільки збільшується і ніколи не зменшується. Коротко описати цей простий закон можна так: кімната, якщо її не прибирати, з часом незмінно стає більш брудною і безладною, навіть якщо постійно підтримувати її в чистоті. Коли відбувається прибирання в приміщенні, його ізольована система зменшується, але зусилля з очищення призводять до її збільшення за межами кімнати, що перевищує втрачену ентропію.
- Третій початок термодинаміки свідчить, що ентропія системи наближається до постійного значення, коли температура знижується до абсолютного нуля. Гранично ізольована система, зазвичай, дорівнює нулю і у всіх випадках визначається тільки кількістю різних основних станів, які вона має. Зокрема, ентропія чистої кристалічної речовини (ідеальний порядок) при абсолютній нульовій температурі дорівнює нулю. Цей вислів вірний, якщо ідеальний кристал має тільки один стан з мінімальною енергією.
Термодинамічні закони мають справу із загальною сумою енергетичних і теплових переходів всередині системи і не враховують специфічну природу теплопередачі на атомному або молекулярному рівні.
Математичне представлення
Фізики, зазвичай, використовують однакові умовні позначення для представлення величин в I законі термодинаміки.
Вони виглядають так:
- U1 (або Ui) — Початкова внутрішня енергія на початку процесу.
- U2 (або Uf) — кінцева внутрішня енергія в кінці процесу.
- Дельта U = U2-U1 – зміна внутрішньої енергії (використовується в тих випадках, коли особливості початкової і кінцевої внутрішніх енергій не мають значення).
- Q – тепло, що передається в (Q>0) або з (Q<0) системи.
- W – робота, виконана системою (W>0) або в системі (W<0).
Формула першого початку термодинаміки виглядає наступним чином:
∆U = Q+A
Це дає математичне уявлення першого закону, який виявляється дуже корисним і може бути переписаний кількома способами.
Аналіз термодинамічного процесу в класі фізики зазвичай включає аналіз ситуації, коли одна з цих величин або дорівнює 0, або контролюється розумним чином. Наприклад, в адіабатному процесі теплообмін (Q) дорівнює 0, а в ізохорному процесі робота (W) теж має значення 0.
Історія відкриття
Історія термодинаміки починається з Отто фон Геріке, який в 1650 році побудував перший у світі вакуумний насос і продемонстрував його дію, використовуючи свої магдебурзькі півкулі. Вчений був змушений зробити такий експеримент, щоб спростувати давнє припущення Аристотеля про те, що «природа не терпить вакууму».
Незабаром після цього в 1656 році англійський фізик і хімік Роберт Бойль дізнався про конструкцію Геріке і за погодженням з вченим Робертом Гуком побудував повітряний насос. Використовуючи його, вони помітили кореляцію між тиском, температурою та об’ємом. З часом був сформульований закон Бойля, згідно з яким тиск і обсяг обернено пропорційні.
Французький фізик Саді Карно вперше сформулював базовий принцип термодинаміки в 1824 році. Цей принцип Карно використовував для визначення свого теплового двигуна циклу Карно. У підсумку цей принцип перейшов у другий закон (початок) термодинаміки німецького фізика Рудольфа Клаузіуса. Йому нерідко приписують і формулювання першого закону.
Термодинамічна система
За словами професора фізики Університету штату Міссурі Маккі, енергію можна розділити на дві частини. До однієї з них належить поршень, що рухає і штовхає газ.
Маккі пояснює: «коли я приставляю два зразки металу один до одного, два атоми стикаються, одна з частинок відривається швидше за іншу, я не можу втриматися від спостереження за цим процесом. Це відбувається в дуже невеликому масштабі часу, на невеликій відстані і багато разів на секунду. Отже, ми просто ділимо всю передачу енергії на дві групи: те, що ми будемо відстежувати, і те, що не будемо. Остання група називається теплом».
Термодинамічні системи зазвичай розглядаються як відкриті, закриті або ізольовані:
- Відкрита система, на відміну від закритої або ізольованої, вільно обмінюється енергією і речовиною з навколишнім середовищем. Наприклад, Каструля з киплячим супом отримує енергію з печі, випромінює тепло з ємності і виділяє речовину у вигляді пари. Це відкрита система.
- Якщо на горщик щільно поставити кришку, він все одно буде випромінювати теплову енергію, але більше не стане виділяти речовину у вигляді пари. Це закрита система.
- Якщо налити суп в ідеально ізольований термос і закрити кришку, не буде ніякої енергії або речовини. Це ізольована система.
Однак на практиці абсолютно ізольовані системи не можуть існувати. Всі системи передають енергію в навколишнє середовище за допомогою випромінювання незалежно від того, наскільки вони ізольовані. Суп в термосі залишиться гарячим тільки протягом декількох годин і досягне кімнатної температури на наступний день.
В іншому прикладі зірки білих карликів, які більше не виробляють енергію, можуть бути ізольовані світловими роками майже до ідеального вакууму в міжзоряному просторі, але, в підсумку, вони будуть охолоджуватися з декількох десятків тисяч градусів майже до абсолютного нуля у зв’язку з втратою енергії через випромінювання. Хоча цей процес займає більше часу, ніж нинішнє століття Всесвіту, його не зупинити.
Застосування на практиці
Найбільш поширеним практичним застосуванням Першого початку термодинаміки є тепловий двигун. Він перетворює теплову енергію в механічну і навпаки. Більшість таких двигунів потрапляє в категорію відкритих систем. Їх основний принцип використовує взаємозв’язок між теплом, об’ємом і тиском робочої рідини, яка зазвичай є газом. У деяких випадках вона може піддаватися фазовим переходам від газу до рідини і назад під час циклу.
Якщо газ піддається нагріванню, він розширюється, але коли він обмежений, тиск збільшується. Якщо нижня стінка утримуючої камери є верхом рухомого поршня, то тиск надає силу на поверхню, змушуючи його рухатися вниз.
Існують численні варіації основного теплового двигуна. Наприклад, парові двигуни покладаються на зовнішнє згоряння, щоб нагріти бак котла, що містить робочу рідину, зазвичай воду. Водна перетворюється в пар, а потім тиск використовується для приводу поршня, який перетворює теплову енергію в механічну.
Однак в автомобільних двигунах використовується внутрішнє згоряння, коли рідке паливо випаровується, змішується з повітрям і запалюється всередині циліндра над рухомим поршнем, що приводить його в рух вниз.
Коли газ стискається, його температура збільшується. Він може потім передавати тепло в навколишнє середовище. Потім, коли стиснутому газу дозволяють розширюватися, його температура стає нижче, ніж була до стиснення, тому що частина його теплової енергії була видалена під час гарячого циклу. Холодний газ потім може поглинати теплову енергію з навколишнього середовища. Це принцип роботи кондиціонера.
Кондиціонери, насправді, не виробляють холод, вони видаляють тепло. Робоча рідина переноситься назовні механічним насосом, де нагрівається компресією. Після цього він передає це тепло зовнішньому середовищу через теплообмінник з повітряним охолодженням. Потім він повертається в приміщення, де йому дозволяється розширюватися і охолоджуватися, щоб він міг поглинати тепло з повітря через інший теплообмінник.
Тепло від стислої робочої рідини використовується для обігріву будівлі. Після цього воно переноситься назовні, де розширюється і стає холодним, що дозволяє йому поглинати тепло з зовнішнього повітря, яке навіть взимку зазвичай тепліше, ніж холодна робоча рідина.
У геотермальних або наземних системах кондиціонування повітря і теплові насоси використовуються довгі U-образні трубки в глибоких свердловинах або набір горизонтальних труб, занурених у велику площу, по якій циркулює робоча рідина, а тепло передається на землю. Інші системи використовують річки або океанічну воду для нагрівання або охолодження робочої рідини.
Основні ізопроцеси
Оскільки теплові двигуни можуть пройти складну послідовність кроків, спрощена модель часто використовується для ілюстрації принципів термодинаміки. Зокрема, можна розглянути газ, який розширюється і стискається в циліндрі з рухомим поршнем при заданому наборі умов.
Застосування першого закону (початку) термодинаміки до ізопроцесів містить два таких набори:
- Одна умова, відома як ізотермічне розширення, включає в себе підтримку постійної температури газу. Оскільки він працює проти стримуючої сили поршня, то повинен поглинати тепло для збереження енергії. В іншому випадку газ буде охолоджуватися при розширенні або, навпаки, нагріватися при стисненні. Це приклад, в якому поглинене тепло повністю перетворюється в роботу зі стовідсотковою ефективністю. Однак цей процес не порушує фундаментальних обмежень щодо ефективності, оскільки саме по собі розширення не є циклічним процесом.
- Друга умова, відома як адіабатичне розширення (від грецького “адіабатос”, що означає “непрохідний”), – це стан, при якому передбачається, що циліндр ідеально ізольований, так що тепло не може текти всередину нього або назовні. При застосуванні першого початку термодинаміки для адіабатичного процесу газ охолоджується при розширенні, тому що робота, виконувана проти стримуючої сили на поршні, може виходити тільки від внутрішньої енергії газу. Таким чином, зміна цього показника має бути ΔU = -W, про що свідчить зниження його температури. Газ остигає, хоча теплового потоку немає, тому що він працює за рахунок власної внутрішньої енергії. Точну кількість охолодження можна розрахувати по теплопровідності газу.
Багато природних явищ адіабатні, тому що часу для значного теплового потоку недостатньо. Наприклад, коли тепле повітря піднімається в атмосферу, воно розширюється і охолоджується в міру того, як тиск падає при наборі висоти. Але повітря є хорошим теплоізолятором, тому немає значного теплового потоку від нього. В цьому випадку навколишнє повітря грає роль стінок ізольованого циліндра і рухомого поршня.
Тепле повітря працює проти тиску, створюваного навколишнім повітрям при його розширенні, тому його температура повинна падати. Більш детальний аналіз цього адіабатичного розширення пояснює більшу частину зниження температури з висотою, враховуючи відомий факт, що на вершині гори холодніше, ніж у її заснування.
Перший початок термодинаміки розглядається багатьма як основа концепції збереження енергії. В основному, це говорить про те, що енергія, яка надходить в систему, не може бути втрачена по шляху, але повинна бути використана для того, щоб змінити внутрішню енергію, або виконати роботу. З цієї точки зору енергія є одним з найбільш великих наукових понять, що було коли-небудь виявлене.
