Termodünaamika: definitsioon, seadused ja põhikontseptsioonid
Termodünaamika: põhikontseptsioonid ja seadused selgitatud—temperatuur, rõhk, energia, termodünaamilised süsteemid ning klassikaline ja statistiline lähenemine igapäevaelule.
Termodünaamika on füüsika haru, mis uurib soojuse ja töö vahetust ning energia seisu muutusi erinevate objektide ja süsteemide vahel. See valdkond kirjeldab, kuidas makroskoopilised suurused nagu rõhk, maht ja temperatuur sõltuvad süsteemi sisemisest energiast ja osakeste liikumisest. Termodünaamikas kasutatakse sageli matemaatika haru, mida nimetatakse statistikaks, et ühendada osakeste mikroskoopiline käitumine makroskoopiliste omadustega.
Termodünaamika on kasulik, sest see aitab meil mõista, kuidas väga väikeste aatomite ja molekulide maailm on seotud meie igapäevaselt nähtava suureskaalalise maailmaga. See selgitab, miks soojust ei saa täielikult muundada tööks ilma kaotusteta, kuidas töötavad soojusmootorid ja miks mõned protsessid toimuvad iseeneslikult, samas kui teised vajavad välist sekkumist.
Termodünaamikal on kaks peamist haaret: klassikaline termodünaamika, mis käsitleb makroskoopilisi nähtusi ja võrrandeid ilma üksikute osakeste täpse trajektoori detailsuseta, ning statistiline termodünaamika, mis seletab makroskoopilisi suurusi osakeste statistiliste omaduste abil. Termodünaamika keskne mõiste on termodünaamiline süsteem — määratletud osa universumist, mida uuritakse, ning selle ümbrus, millega süsteem võib soojus- või materjalivahet teha.
Süsteemid, seisund ja omadused
Termodünaamiline süsteem võib olla:
- suletud — ei vaheta ainet, kuid võib vahetada energiat (soojus ja/või töö) ümbrusega;
- avatud — vahetab nii ainet kui ka energiat;
- isoleeritud — ei vahetata ei ainet ega energiat (ideaalne mudel, reaalses maailmas lähend).
Iga süsteemi seisundit kirjeldavad olekufunktsioonid ehk olekumuutujad, näiteks temperatuur, rõhk, maht, sisemine energia (U), entalpia (H), entroop (S) jmt. Need jagunevad kaheks: ekstensiivsed ja intensiivsed. Näiteks, nagu artiklis toodud telliskivi näitel, on ruumala, energia, mass ja laeng ekstensiivsed (sõltuvad süsteemi suurusest), samas kui temperatuur, rõhk ja tihedus on intensiivsed (ei sõltu süsteemi hulgast).
Termodünaamika põhiseadused
Termodünaamika neli põhiseadust annavad raamistiku energia- ja entroopia käitumise mõistmiseks:
- Nullseadus: kui kaks süsteemi on termilises tasakaalus kolmanda süsteemiga, siis on nad omavahel termilises tasakaalus. See seadus võimaldab defineerida ja mõõta temperatuuri.
- Esimene seadus (energia jäävus): energia ei teki ega hävi, vaid muundub ühest vormist teise. Matemaatiliselt: ΔU = Q − W, kus ΔU on sisemise energia muutus, Q on süsteemi juurde antud soojushulk ja W on süsteemi poolt tehtud töö.
- Teine seadus: suvaline isoleeritud süsteem kipub liikumiseks seisundisse, kus entroopia S suureneb või püsib konstantne (S ei vähene). See määrab protsesside suuna ja seletab, miks täielikult reversiibset energiamuundust ei saa saavutada. Entroopiat seostatakse ka mikroskoopiliste olekute arvuga valemiga S = k ln W (Boltzmanni seos), kus k on Boltzmanni konstant (k ≈ 1.380649×10^-23 J/K) ja W on olekute arv.
- Kolmas seadus: ideaalse kristallilise aine entroopia läheneb nullile, kui temperatuur läheneb absoluutsele nullile (T → 0 K).
Protsessid ja tasakaal
Termodünaamilisi protsesse kirjeldatakse nende ajaloo jooksul muutuvate olekufunktsioonide abil. Tüüpilised protsessid on:
- isotermiline (T = konstant),
- isobaarne (p = konstant),
- isohooriline või isokoorne (V = konstant),
- adiabaatiline (ei toimu soojusvahetust Q = 0).
Protsessid võivad olla reversiivsed (teoreetiliselt tagasikäivad ilma entroopia kasvuta) või irreversiivsed (reaalsed protsessid, kaasneb entroopia kasv). Termodünaamiline tasakaal tähendab olukorda, kus makroskoopilised muutujaid ei muutu ajas ja süsteem ei vaheta energiat ümbrusega.
Rakendused ja näited
Termodünaamika on aluseks paljudele tehnoloogiatele ja nähtustele: soojusmootorid (nt aurumasin, sisepõlemismootor), jahutussüsteemid ja külmkapid, tootmisprotsessid, keemilised reaktsioonid, bioloogilised protsessid, meteoroloogia ja planeedi atmosfääri protsessid. Näiteks Carnot' teoreem annab ideaalsetele soojusmootoritele piirangu efektiivsusele: η_max = 1 − (T_külm / T_soe), kus temperatuurid on absoluutsetes ühikutes (K).
Seos statistilise termodünaamikaga
Statistiline termodünaamika seletab makroskoopiliste suuruste päritolu mikroskoopiliste osakeste olekute statistikast. Näiteks entroopia suurenemine tähendab, et süsteemil on suurem arv võimalikke mikroskoopilisi konfiguratsioone (W). See lähenemine ühendab termodünaamikareeglid mehaanika ja tõenäosusteooriaga ning võimaldab arvutada tasakaalulisi ja mitte-tasakaalulisi suurusi, nagu vabal energial põhinevad reaktsioonivõimalused.
Kokkuvõte
Termodünaamika annab selged reeglid energia ja soojuse käitumiseks ning selgitab, miks paljud füüsikalised ja keemilised protsessid toimuvad teatud suunas. Kombineerides klassikalisi seadusi ja statistilisi meetodeid, saame nii praktiliselt disainida masinaid ja protsesse kui ka mõista looduse aluseadusi — alates väikesest aatomist kuni suurte atmosfäärisüsteemideni.
Termodünaamika seadused
Termodünaamika neli seadust ütlevad, kuidas energia saab soojuse kujul kahe objekti vahel liikuda.
- Termodünaamika nullmõiste
Kui kahel süsteemil on võrdne soojusvoog edasi-tagasi ja ühel neist kahest süsteemist on võrdne soojusvoog teise süsteemiga, siis on kõigil kolmel süsteemil võrdne soojusvoog omavahel.
Süsteemi energia suurenemine on sama, mis süsteemile soojuse või töö kujul antud energia. Energiat ei saa luua ega hävitada, vaid ainult muuta. Süsteemile antud energiakogus on sama palju energiat, mis on võetud ümbritsevast keskkonnast.
Erineva temperatuuriga süsteemide paar, mis puutuvad kokku, voolab soojus kuumast külma, kuni süsteemide temperatuur muutub võrdseks.
- Termodünaamika kolmas seadus
Kui süsteemi temperatuur on 0 kelvini, absoluutne null (madalaim temperatuur), on entroopia (energia, mida ei saa kasutada töö tegemiseks) 0.
Termodünaamika kasutamine
Varem uuriti termodünaamikat, et aurumasinad paremini tööle panna. Nüüd kasutatakse termodünaamika ideid kõikjal alates mootorite valmistamisest kuni mustade aukude uurimiseni.
Teadlased kasutavad termodünaamikat mitmel põhjusel. Üks neist on paremate mootorite ja külmikute valmistamine. Teine eesmärk on mõista igapäevaste materjalide omadusi, et neid tulevikus tugevamaks muuta. Termodünaamikat kasutatakse ka keemias, et selgitada, millised reaktsioonid toimivad ja millised mitte (seda uuringut nimetatakse keemiliseks kineetikaks). Termodünaamika on võimas, sest aatomite lihtsad mudelid toimivad hästi suurte süsteemide, näiteks telliskivide omaduste seletamisel.
Seotud leheküljed
Küsimused ja vastused
K: Mis on termodünaamika?
V: Termodünaamika on füüsika haru, mis uurib soojuse, temperatuuri ja energia vahelisi seoseid.
K: Kuidas kasutatakse termodünaamikas matemaatikat?
V: Termodünaamikas kasutatakse sageli matemaatikat, täpsemalt statistikat, et uurida osakeste liikumist.
K: Millised on termodünaamika rakendused?
V: Termodünaamika aitab meil mõista, kuidas väga väikeste aatomite maailm on seotud meie igapäevaselt nähtava laiaulatusliku maailmaga. Sellel on ka kaks peamist haru, mida nimetatakse klassikaliseks termodünaamikaks ja statistiliseks termodünaamikaks.
K: Mis on näide termodünaamilisest süsteemist?
V: Termodünaamilise süsteemi näide on telliskivi, mis koosneb paljudest aatomitest, millel on oma omadused.
K: Mis on ulatuslikud omadused?
V: Ekstensiivsed omadused on need, mis saadakse kõigi aatomite liitmisel, näiteks ruumala, energia, mass ja laeng, sest kahel samast telliskivist kokku panduna on kaks korda suurem mass kui ühel telliskivil.
K: Mis on intensiivsed omadused?
V: Intensiivsed omadused on need, mis saadakse kõigi aatomite keskmist vaadates, näiteks temperatuur, rõhk ja tihedus, sest kahel samast telliskivist on ikka sama temperatuur kui ühel telliskivil üksi.