Mikä on termodynamiikka:
Termodynamiikka on fysiikan osa, joka tutkii lämmön, kohdistetun voiman (tunnetaan myös nimellä työ) ja energiansiirron suhdetta.
Sana termodynamiikka tulee kreikan juurista θερμο- (termo-) mikä tarkoittaa 'lämpöä', ja δυναμικός (dynamikós), joka puolestaan johtuu δύναμις (dýnamis), mikä tarkoittaa 'voimaa' tai 'voimaa'.
Termodynaamiset prosessit määräytyvät kolmella peruslakilla.
- Ensimmäisen lain avulla voimme ymmärtää, miten energiaa säästetään.
- Toista lakia käytetään tuntemaan olosuhteet, jotka ovat välttämättömiä energiansiirron tapahtumiselle.
- Kolmas laki auttaa tuntemaan järjestelmien käyttäytymisen tasapainossa.
Termodynaamisten prosessien ymmärtäminen on tärkeää sellaisilla aloilla kuin teollisuustekniikka, jossa useiden koneiden käyttämiseen tarvitaan suuria määriä energiaa.
Termodynamiikan lakien avulla voimme myös ymmärtää järjestelmien toiminnan esimerkiksi biokemian, kosmologian ja genetiikan aloilla.
Termodynamiikan lait
Termodynamiikassa on kolme lakia, jotka selittävät kuinka lämpö ja energia toimivat ja siirtyvät. Selitämme ne yksityiskohtaisesti alla.
Ensimmäinen termodynamiikan laki
Ensimmäinen laki koskee energiansäästöä: energiaa ei luoda eikä tuhota, se vain muuttuu. Esimerkiksi:
- Aurinkoenergia muuttuu sähköasemaksi huoltoasemaa varten.
- Tätä sähköenergiaa voidaan käyttää sähköauton akun lataamiseen.
- Sähköauto pystyy muuttamaan kertyneen energian siirtymäksi.
Energia on siis aina liikkeellä.
Yksinkertaistettu kaava olisi seuraava:
Termodynamiikan toinen laki
Termodynamiikan toinen laki antaa mahdollisuuden määrittää kaksi asiaa:
- Suunta, johon energiansiirto tapahtuu.
- Ehdot, jotka ovat välttämättömiä prosessin kääntämiseksi.
Täältä opimme, että on olemassa palautuvia ja peruuttamattomia prosesseja.
Esimerkiksi pöytäsuola sekoittuu veteen spontaanisti prosessina, jota kutsutaan laimennukseksi. Tämä prosessi vapauttaa lämpöä.
Tämän prosessin kääntämiseksi ja suolakiteiden muodostamiseksi uudelleen on käytettävä lämpöä, joka antaa veden haihtua ja erottaa sen suolasta. Järjestelmä imee lämpöä.
Yksinkertaistettu kaava olisi seuraava:
Kolmas termodynamiikan laki
Termodynamiikan kolmas laki yhdistää kaksi edellistä lakia ja soveltaa niitä absoluuttisen tasapainon järjestelmiin. Tässä tilassa tapahtuu minimaalinen energianvaihto ja suurin häiriö (tai entropia).
Kolmatta lakia sovelletaan suljettuihin järjestelmiin. Tämän tyyppisiä järjestelmiä nähdään vain teoreettisessa fysiikassa ja kemiassa.
Yksinkertaistettu kaava olisi seuraava:
Termodynamiikan järjestelmätyypit
Termodynamiikan lakien ymmärtämiseksi on ensin tärkeää tietää olemassa olevat järjestelmätyypit ja niiden käyttäytyminen.
Kaikki ympärillämme on järjestelmiä ja suurin osa tuntemistamme järjestelmistä vaihtaa energiaa. Järjestelmät luokitellaan kolmeen tyyppiin: avoimet, suljetut ja eristetyt.
- Avoimet järjestelmät: he vaihtavat energiaa ja ainetta ulkopuolen kanssa (esimerkiksi kokko).
- Suljetut järjestelmät: he vaihtavat energiaa vain ulkopuolen (esimerkiksi matkapuhelimen) kanssa.
- Eristetyt järjestelmät: Ne eivät vaihda ainetta tai energiaa (ne ovat vain teoreettisia).
Termodynamiikan ensimmäinen ja toinen laki koskevat avoimia ja suljettuja järjestelmiä, kun taas kolmas laki koskee eristettyjä järjestelmiä.
Järjestelmän tila
On olemassa kaksi perustilaa, joissa järjestelmiä (tyypistä riippumatta) löytyy.
- Aktiiviset järjestelmät: jos tapahtuu energianvaihto, järjestelmän sanotaan olevan aktiivinen.
- Järjestelmät lepotilassa tai tasapainossa: jos energiavaihtoa ei tapahdu, järjestelmän katsotaan olevan levossa tai tasapainossa.
Lämmön ja lämmönsiirto termodynamiikassa
Fysiikan mukaan lämpö on energian virtaus, joka esiintyy, kun kaksi eri lämpötilaa olevaa järjestelmää joutuu kosketuksiin. Lämpötasapaino saavutetaan, kun kaikki järjestelmät saavuttavat saman lämpötilan.
Termodynaamisissa järjestelmissä, jos kaksi niistä on tasapainossa kolmannen järjestelmän kanssa, niin ne ovat myös tasapainossa keskenään. Siksi, kun saavutetaan tasapaino, lämpötila on vakio.
