Термодинамик бол физикийн чухал салбар юм. Түүний ололт амжилт нь технологийн эрин үеийг бий болгож, өнгөрсөн 300 жилийн хүн төрөлхтний түүхийн чиг хандлагыг ихээхэн тодорхойлсон гэж бид баттай хэлж чадна. Уг нийтлэлд термодинамикийн 1, 2, 3-р хуулиуд болон тэдгээрийг практикт хэрэглэх талаар авч үзнэ.
Термодинамик гэж юу вэ?
Термодинамикийн хуулиудыг томъёолохын өмнө физикийн энэ хэсэг юу хийдгийг олж мэдье.
"Термодинамик" гэдэг үг нь грек гаралтай бөгөөд "халуунаас үүсэх хөдөлгөөн" гэсэн утгатай. Өөрөөр хэлбэл, физикийн энэ салбар нь дулааны энерги нь механик хөдөлгөөн болон эсрэгээр хувирдаг аливаа үйл явцыг судлах чиглэлээр ажилладаг.
Термодинамикийн үндсэн хуулиудыг 19-р зууны дунд үед томъёолсон. "Хөдөлгөөн ба дулаан" шинжлэх ухаан нь бүхэл бүтэн системийн үйл ажиллагааг бүхэлд нь авч үзэж, түүний макроскоп үзүүлэлтүүд - температур, даралт, эзэлхүүний өөрчлөлтийг судалж, микроскопийн бүтцэд нь анхаарал хандуулдаггүй. Түүнээс гадна тэдгээрийн эхнийх нь хууль боловсруулахад үндсэн үүрэг гүйцэтгэдэгфизик дэх термодинамик. Тэдгээрийг зөвхөн туршилтын ажиглалтаас гаргаж авсан гэдгийг тэмдэглэх нь сонин байна.
Термодинамик системийн тухай ойлголт
Энэ нь бүхэл бүтэн атом, молекул эсвэл бусад элементийн бүлэг гэсэн үг. Бүх гурван хуулийг термодинамик систем гэж нэрлэдэг. Жишээ нь: Дэлхийн агаар мандал, аливаа амьд организм, дотоод шаталтат хөдөлгүүр дэх хийн хольц гэх мэт.
Термодинамикийн бүх системүүд гурван төрлийн аль нэгэнд хамаарна:
- Нээлттэй. Тэд хүрээлэн буй орчинтой дулаан, бодис хоёуланг нь солилцдог. Жишээлбэл, хэрэв хоолыг тогоонд задгай гал дээр чанаж болгосон бол энэ нь нээлттэй системийн тод жишээ юм, учир нь тогоо нь гадаад орчноос (гал түймэр) энерги хүлээн авдаг бол өөрөө дулаан хэлбэрээр энерги ялгаруулдаг. мөн үүнээс ус ууршдаг (бодисын солилцоо).
- Хаалттай. Ийм системд энергийн солилцоо явагддаг ч хүрээлэн буй орчинтой бодисын солилцоо байдаггүй. Өмнөх тохиолдол руу буцвал: Хэрэв та данхыг таглаагаар таглавал битүү систем авах боломжтой.
- Тусгаарлагдсан. Энэ бол хүрээлэн буй орон зайтай бодис, энерги солилцдоггүй нэг төрлийн термодинамик систем юм. Жишээ нь халуун цай агуулсан термос байж болно.
Термодинамик температур
Энэ ойлголт нь эргэн тойрон дахь биеийг бүрдүүлэгч хэсгүүдийн кинетик энергийг илэрхийлдэг бөгөөд энэ нь хурдыг илэрхийлдэг.бөөмсийн санамсаргүй хөдөлгөөн. Энэ нь том байх тусам температур өндөр болно. Үүний дагуу бид системийн кинетик энергийг бууруулснаар түүнийг хөргөнө.
Энэ ухагдахуун нь бөөмсийн эмх замбараагүй хөдөлгөөний хурдыг илэрхийлдэг эргэн тойрон дахь биетүүдийг үүсгэдэг бөөмсийн кинетик энергийг илэрхийлдэг. Энэ нь том байх тусам температур өндөр болно. Үүний дагуу бид системийн кинетик энергийг бууруулснаар түүнийг хөргөнө.
Термодинамик температурыг SI (Олон улсын нэгжийн систем)-ээр Келвинээр илэрхийлдэг (энэ хэмжүүрийг анх санаачилсан Британийн эрдэмтэн Уильям Келвинийг хүндэтгэн). Температурын тодорхойлолтгүйгээр термодинамикийн нэг, хоёр, гурав дахь хуулиудыг ойлгох боломжгүй юм.
Кельвины хэмжүүрээр нэг градусын хуваагдал нь Цельсийн нэг градустай тохирч байна. Эдгээр нэгжийн хоорондох хөрвүүлэлтийг TK =TC + 273, 15, TK томъёоны дагуу гүйцэтгэнэ. ба TC - Келвин ба Цельсийн хэмээр тус тус температур.
Кельвины хэмжүүрийн онцлог нь сөрөг утгатай байдаггүй. Үүн дэх тэг (TC=-273, 15 oC) нь системийн хэсгүүдийн дулааны хөдөлгөөн бүрэн байхгүй байх үеийн төлөвтэй тохирч байна., тэд "хөлдөөсөн" бололтой.
Энерги хэмнэлт ба термодинамикийн 1-р хууль
1824 онд Францын инженер, физикч Николас Леонард Сади Карно зоримог санал дэвшүүлсэн нь физикийн хөгжилд хүргэсэн төдийгүй техник технологийг сайжруулах томоохон алхам болсон юм. Түүнийдараах байдлаар томъёолж болно: "Эрчим хүчийг бий болгох эсвэл устгах боломжгүй, зөвхөн нэг төлөвөөс нөгөөд шилжих боломжтой."
Үнэндээ Сади Карногийн өгүүлбэрт термодинамикийн 1-р хуулийн үндэс болсон энерги хадгалагдах хуулийг дэвшүүлсэн байдаг: "Систем гаднаас энерги хүлээн авах бүрдээ түүнийг өөр хэлбэрт хувиргадаг. Эдгээр нь дулааны болон механик."
1-р хуулийн математикийн томьёог дараах байдлаар бичнэ:
Q=ΔU + A, энд Q нь хүрээлэн буй орчноос системд шилжүүлсэн дулааны хэмжээ, ΔU нь энэ системийн дотоод энергийн өөрчлөлт, A нь төгс механик ажил.
Адиабат процесс
Тэдний сайн жишээ бол уулын энгэр дагуух агаарын массын хөдөлгөөн юм. Ийм масс нь асар том (километр ба түүнээс дээш), агаар нь маш сайн дулаан тусгаарлагч юм. Тайлбарласан шинж чанарууд нь богино хугацаанд тохиолддог агаарын масстай аливаа процессыг адиабат гэж үзэх боломжийг бидэнд олгодог. Агаар уулын энгэр дээш өргөгдөж, даралт нь буурч, тэлж, өөрөөр хэлбэл механик ажил хийж, улмаар хөргөнө. Эсрэгээр, агаарын массын доошоо хөдөлгөөн нь түүний доторх даралт нэмэгдэж, шахагдаж, үүнээс болж маш халуун болдог.
Өмнөх дэд гарчигт авч үзсэн термодинамикийн хуулийн хэрэглээг адиабат процессын жишээн дээр хамгийн хялбараар харуулсан болно.
Тодорхойлолтын дагуу түүний үр дүнд энерги солилцохгүй.орчин, өөрөөр хэлбэл дээрх тэгшитгэлд Q=0. Энэ нь дараах илэрхийлэлд хүргэдэг: ΔU=-A. Энд байгаа хасах тэмдэг нь систем нь өөрийн дотоод энергийг багасгах замаар механик ажил гүйцэтгэдэг гэсэн үг юм. Дотоод энерги нь системийн температураас шууд хамаардаг гэдгийг санах нь зүйтэй.
Дулааны процессын чиглэл
Энэ дугаарт термодинамикийн 2-р хуулийг авч үзнэ. Хэрэв та өөр өөр температуртай хоёр объектыг ойртуулах юм бол хүйтэн нь үргэлж халж, халуун нь хөргөдөг гэдгийг бүгд анзаарсан байх. Термодинамикийн нэгдүгээр хуулийн хүрээнд урвуу үйл явц тохиолдож болох ч практикт хэзээ ч хэрэгждэггүй гэдгийг анхаарна уу.
Энэ үйл явц (мөн Орчлон ертөнц дэх бүх мэдэгдэж буй үйл явц) эргэлт буцалтгүй байдлын шалтгаан нь систем илүү магадлалтай төлөвт шилжсэн явдал юм. Өөр өөр температуртай хоёр биетэй харилцах жишээн дээр системийн бүх бөөмс ижил кинетик энергитэй байх нь хамгийн их магадлалтай төлөв байх болно.
Термодинамикийн 2-р хуулийг дараах байдлаар томъёолж болно: "Дулаан хэзээ ч хүйтэн биеэс халуун бие рүү аяндаа шилжиж чадахгүй." Хэрэв бид энтропи гэдэг ойлголтыг эмх замбараагүй байдлын хэмжүүр болгон оруулбал "Аливаа термодинамик процесс нь энтропийн өсөлтөөр явагддаг" гэж илэрхийлж болно.
Дулааны хөдөлгүүр
Энэ нэр томьёо нь түүнд гаднаас эрчим хүч нийлүүлснээр механик ажил гүйцэтгэх боломжтой систем гэж ойлгогддог. ЭхлээдДулааны машинууд нь уурын машин байсан бөгөөд 17-р зууны төгсгөлд зохион бүтээгдсэн.
Термодинамикийн хоёр дахь хууль нь тэдний үр нөлөөг тодорхойлоход шийдвэрлэх үүрэг гүйцэтгэдэг. Сади Карно мөн энэ төхөөрөмжийн хамгийн их үр ашиг нь: Үр ашиг=(T2 - T1)/T2 гэдгийг тогтоосон., энд T2 ба T1 нь халаагч болон хөргөгчийн температур юм. Халуун биеэс хүйтэн бие рүү дулаан урсах үед л механик ажил хийгдэх ба энэ урсгалыг 100% ашигтай энерги болгон хувиргах боломжгүй.
Доорх зурагт дулааны хөдөлгүүрийн ажиллах зарчмыг харуулав (Qabs - машинд шилжүүлсэн дулаан, Qced - дулааны алдагдал, W - ашигтай ажил, P ба V - поршений даралт ба хийн эзэлхүүн).
Үнэмлэхүй тэг ба Нернстийн үзэл баримтлал
Эцэст нь термодинамикийн 3-р хуулийг авч үзэх асуудал руугаа орцгооё. Үүнийг мөн Нерстийн постулат гэж нэрлэдэг (20-р зууны эхээр үүнийг анх томъёолсон Германы физикчийн нэр). Хуульд: "Хязгаарлагдмал тооны процессоор үнэмлэхүй тэг хүрэх боломжгүй" гэж заасан байдаг. Өөрөөр хэлбэл, бодисын молекул, атомыг бүрэн "хөлдөх" ямар ч боломжгүй юм. Үүний шалтгаан нь хүрээлэн буй орчинтой байнгын дулаан солилцоо байдаг.
Термодинамикийн гуравдугаар хуулиас гаргасан нэг ашигтай дүгнэлт бол абсолют тэг рүү шилжихэд энтропи буурдаг. Энэ нь систем өөрөө өөрийгөө зохион байгуулах хандлагатай байна гэсэн үг юм. Энэ баримт болножишээ нь, хөргөх үед парамагнетыг ферросоронзон төлөвт шилжүүлэхэд ашиглах.
Одоог хүртэл хүрсэн хамгийн бага температур нь 5·10−10 К (2003, MIT лаборатори, АНУ).
