Kas ir termodinamiskais process?
Un kādi ir galvenie veidi?
Automobiļu dzinējs ir siltuma dzinēja veids. Arturs Azizkhanians/EyeEm/Getty Images
Sistēmā notiek termodinamisks process, kad sistēmā notiek enerģētiskas izmaiņas, kas parasti ir saistītas ar spiediena, tilpuma, iekšējā enerģija , temperatūra vai jebkāda veida siltuma pārnesi .
Galvenie termodinamisko procesu veidi
Ir vairāki specifiski termodinamisko procesu veidi, kas notiek pietiekami bieži (un praktiskās situācijās), lai tos parasti aplūkotu termodinamikas izpētē. Katram no tiem ir unikāla iezīme, kas to identificē un kas ir noderīga, analizējot ar procesu saistītās enerģijas un darba izmaiņas.
- Adiabātiskais process - process bez siltuma pārneses sistēmā vai ārpus tās.
- Izohorisks process - process bez apjoma izmaiņām, un tādā gadījumā sistēma nedarbojas.
- Izobāriskais process - process bez spiediena izmaiņām.
- Izotermisks process - process bez temperatūras izmaiņām.
Viena procesa ietvaros var būt vairāki procesi. Acīmredzamākais piemērs būtu gadījums, kad mainās tilpums un spiediens, kā rezultātā nemainās temperatūra vai siltuma pārnese - šāds process būtu gan adiabātisks, gan izotermisks.
Pirmais termodinamikas likums
Matemātiskā izteiksmē, pirmais termodinamikas likums var rakstīt šādi:
delta- IN = J - In vai J = delta- IN + In
kur
- delta- IN = sistēmas iekšējās enerģijas izmaiņas
- J = siltums, kas pārnests sistēmā vai iziet no tās.
- In = darbs, ko veic sistēma vai sistēmā.
Analizējot kādu no iepriekš aprakstītajiem īpašajiem termodinamiskajiem procesiem, mēs bieži (lai gan ne vienmēr) atrodam ļoti veiksmīgu iznākumu – vienu no šiem lielumiem. samazina līdz nullei !
Piemēram, adiabātiskā procesā nenotiek siltuma pārnese, tātad J = 0, kā rezultātā rodas ļoti tiešas attiecības starp iekšējo enerģiju un darbu: delta- J = - In . Lai iegūtu precīzāku informāciju par to unikālajām īpašībām, skatiet šo procesu atsevišķās definīcijas.
Atgriezeniski procesi
Lielākā daļa termodinamisko procesu notiek dabiski no viena virziena uz otru. Citiem vārdiem sakot, viņiem ir vēlamais virziens.
Siltums plūst no karstāka objekta uz aukstāku. Gāzes izplešas, piepildot telpu, bet spontāni nesaraujas, lai aizpildītu mazāku telpu. Mehānisko enerģiju var pilnībā pārvērst siltumā, taču ir praktiski neiespējami pilnībā pārvērst siltumu mehāniskajā enerģijā.
Tomēr dažās sistēmās notiek atgriezenisks process. Parasti tas notiek, ja sistēma vienmēr ir tuvu termiskajam līdzsvaram gan pašā sistēmā, gan jebkurā apkārtnē. Šajā gadījumā bezgalīgi nelielas izmaiņas sistēmas apstākļos var izraisīt procesa virzību uz citu pusi. Tādējādi atgriezenisks process ir pazīstams arī kā an līdzsvara process .
1. piemērs: Divi metāli (A un B) atrodas termiskā kontaktā un termiskais līdzsvars . Metāls A tiek uzkarsēts bezgalīgi mazā daudzumā, lai siltums no tā plūst uz metālu B. Šo procesu var mainīt, atdzesējot A bezgalīgi mazu daudzumu, un šajā brīdī siltums sāks plūst no B uz A, līdz tie atkal nonāk termiskā līdzsvarā. .
2. piemērs: Gāze tiek lēni un adiabātiski paplašināta atgriezeniskā procesā. Palielinot spiedienu par bezgalīgi mazu daudzumu, tā pati gāze var lēnām un adiabātiski saspiesties atpakaļ sākotnējā stāvoklī.
Jāpiebilst, ka tie ir nedaudz idealizēti piemēri. Praktiskiem nolūkiem sistēma, kas atrodas termiskā līdzsvarā, pārstāj būt termiskā līdzsvarā, tiklīdz tiek ieviesta viena no šīm izmaiņām... tādējādi process faktiski nav pilnībā atgriezenisks. Tas ir an idealizēts modelis par to, kā šāda situācija notiktu, lai gan, rūpīgi kontrolējot eksperimentālos apstākļus, var veikt procesu, kas ir ļoti tuvu tam, lai tas būtu pilnībā atgriezenisks.
Neatgriezeniski procesi un otrais termodinamikas likums
Lielākā daļa procesu, protams, ir neatgriezeniski procesi (vai nelīdzsvara procesi ). Bremžu berzes izmantošana jūsu automašīnai ir neatgriezenisks process. Gaisa ielaušana no balona telpā ir neatgriezenisks process. Ledus bloka novietošana uz karsta cementa celiņa ir neatgriezenisks process.
Kopumā šie neatgriezeniskie procesi ir otrā termodinamikas likuma sekas, ko bieži definē kā entropija vai sistēmas traucējumi.
Ir vairāki veidi, kā formulēt otro termodinamikas likumu, taču būtībā tas ierobežo siltuma pārneses efektivitāti. Saskaņā ar otro termodinamikas likumu procesā vienmēr tiks zaudēta daļa siltuma, tāpēc reālajā pasaulē nav iespējams pilnībā atgriezenisks process.
Siltumdzinēji, siltumsūkņi un citas ierīces
Mēs saucam jebkuru ierīci, kas daļēji pārveido siltumu darba vai mehāniskajā enerģijā siltuma dzinējs . Siltuma dzinējs to dara, pārnesot siltumu no vienas vietas uz otru, pa ceļam veicot kādu darbu.
Izmantojot termodinamiku, ir iespējams analizēt siltuma efektivitāte siltuma dzinēju, un tā ir tēma, kas aplūkota lielākajā daļā fizikas ievadkursu. Šeit ir daži siltumdzinēji, kas bieži tiek analizēti fizikas kursos:
Kārno cikls
1924. gadā franču inženieris Sadi Carnot izveidoja idealizētu, hipotētisku dzinēju, kura maksimālā iespējamā efektivitāte atbilst otrajam termodinamikas likumam. Viņš nonāca pie šāda efektivitātes vienādojuma, un Carnot:
un Carnot= ( T H- T C) / T H
T Hun T Cir attiecīgi karstā un aukstā rezervuāra temperatūra. Ar ļoti lielu temperatūras starpību jūs iegūstat augstu efektivitāti. Zema efektivitāte rodas, ja temperatūras starpība ir zema. Jūs saņemat tikai efektivitāti 1 (100% efektivitāte), ja T C= 0 (t.i. absolūtā vērtība ), kas nav iespējams.