La termodinàmica és una branca important de la física. Podem dir amb seguretat que els seus èxits han portat a l'aparició de l'era tecnològica i han determinat en gran mesura el curs de la història humana durant els darrers 300 anys. L'article analitza la primera, segona i tercera llei de la termodinàmica i la seva aplicació a la pràctica.
Què és la termodinàmica?
Abans de formular les lleis de la termodinàmica, esbrineu què fa aquesta secció de la física.
La paraula "termodinàmica" és d'origen grec i significa "moviment a causa de la calor". És a dir, aquesta branca de la física es dedica a l'estudi de qualsevol procés, com a resultat del qual l'energia tèrmica es converteix en moviment mecànic i viceversa.
Les lleis bàsiques de la termodinàmica es van formular a mitjans del segle XIX. La ciència del "moviment i la calor" considera el comportament de tot el sistema en el seu conjunt, estudiant el canvi en els seus paràmetres macroscòpics: temperatura, pressió i volum, i sense prestar atenció a la seva estructura microscòpica. A més, el primer d'ells juga un paper fonamental en la formulació de lleistermodinàmica en física. És curiós observar que es deriven únicament d'observacions experimentals.
El concepte d'un sistema termodinàmic
Significa qualsevol grup d'àtoms, molècules o altres elements que es consideren com un tot. Les tres lleis es formulen per a l'anomenat sistema termodinàmic. Alguns exemples són: l'atmosfera terrestre, qualsevol organisme viu, la mescla de gasos en un motor de combustió interna, etc.
Tots els sistemes de termodinàmica pertanyen a un dels tres tipus:
- Obert. Intercanvien tant calor com matèria amb el medi ambient. Per exemple, si el menjar es cuina en una olla a foc obert, aquest és un exemple viu de sistema obert, ja que l'olla rep energia de l'entorn extern (foc), mentre que ella mateixa irradia energia en forma de calor, i també s'evapora l'aigua (metabolisme).
- Tancat. En aquests sistemes no hi ha intercanvi de matèria amb l'entorn, encara que es produeix l'intercanvi d'energia. Tornant al cas anterior: si tapes la tetera amb una tapa, pots aconseguir un sistema tancat.
- Aïllat. Es tracta d'una mena de sistemes termodinàmics que no intercanvien matèria ni energia amb l'espai circumdant. Un exemple seria un termo que contingui te calent.
Temperatura termodinàmica
Aquest concepte significa l'energia cinètica de les partícules que formen els cossos circumdants, que reflecteix la velocitatmoviment aleatori de partícules. Com més gran sigui, més alta serà la temperatura. En conseqüència, reduint l'energia cinètica del sistema, el refredem.
Aquest concepte significa l'energia cinètica de les partícules que formen els cossos circumdants, que reflecteix la velocitat del moviment caòtic de les partícules. Com més gran sigui, més alta serà la temperatura. En conseqüència, reduint l'energia cinètica del sistema, el refredem.
La temperatura termodinàmica s'expressa en SI (Sistema Internacional d'Unitats) en Kelvin (en honor al científic britànic William Kelvin, que va proposar per primera vegada aquesta escala). Entendre la primera, segona i tercera llei de la termodinàmica és impossible sense una definició de temperatura.
Una divisió d'un grau a l'escala Kelvin també correspon a un grau Celsius. La conversió entre aquestes unitats es realitza segons la fórmula: TK =TC + 273, 15, on TK i TC - temperatures en kelvins i graus centígrads respectivament.
La peculiaritat de l'escala Kelvin és que no té valors negatius. Zero en ella (TC=-273, 15 oC) correspon a l'estat en què el moviment tèrmic de les partícules del sistema està completament absent, sembla que estan "congelats".
Conservació de l'energia i 1a llei de la termodinàmica
El 1824, Nicolas Léonard Sadi Carnot, un enginyer i físic francès, va fer un suggeriment audaç que no només va portar al desenvolupament de la física, sinó que també es va convertir en un pas important en la millora de la tecnologia. Sevaes pot formular de la següent manera: "L'energia no es pot crear ni destruir, només es pot transferir d'un estat a un altre."
De fet, la frase de Sadi Carnot postula la llei de conservació de l'energia, que va ser la base de la 1a llei de la termodinàmica: "Sempre que un sistema rep energia de l'exterior, la converteix en altres formes, la principal de que són tèrmiques i mecàniques."
La fórmula matemàtica de la 1a llei s'escriu de la següent manera:
Q=ΔU + A, aquí Q és la quantitat de calor transferida pel medi ambient al sistema, ΔU és el canvi en l'energia interna d'aquest sistema, A és el treball mecànic perfecte.
Processos adiabàtics
Un bon exemple d'ells és el moviment de masses d'aire pels vessants de les muntanyes. Aquestes masses són enormes (quilòmetres o més) i l'aire és un excel·lent aïllant tèrmic. Les propietats assenyalades ens permeten considerar com adiabàtics qualsevol procés amb masses d'aire que es produeixi en poc temps. Quan l'aire puja per un vessant de muntanya, la seva pressió baixa, s'expandeix, és a dir, realitza un treball mecànic i, en conseqüència, es refreda. Al contrari, el moviment cap avall de la massa d'aire va acompanyat d'un augment de pressió en ella, es comprimeix i, per això, s'escalfa molt.
L'aplicació de la llei de la termodinàmica, que es va discutir al subtítol anterior, es demostra més fàcilment utilitzant l'exemple d'un procés adiabàtic.
Segons la definició, com a conseqüència d'això no hi ha intercanvi d'energia ambentorn, és a dir, a l'equació anterior, Q=0. Això condueix a la següent expressió: ΔU=-A. El signe menys aquí significa que el sistema realitza un treball mecànic reduint la seva pròpia energia interna. Cal recordar que l'energia interna depèn directament de la temperatura del sistema.
Direcció dels processos tèrmics
Aquest número tracta sobre la segona llei de la termodinàmica. Segur que tothom es va adonar que si poses en contacte dos objectes amb temperatures diferents, el fred sempre s'escalfarà i el calent es refredarà. Tingueu en compte que el procés invers es pot produir en el marc de la primera llei de la termodinàmica, però mai s'implementa a la pràctica.
La raó de la irreversibilitat d'aquest procés (i de tots els processos coneguts a l'Univers) és la transició del sistema a un estat més probable. En l'exemple considerat amb el contacte de dos cossos de diferents temperatures, l'estat més probable serà aquell en què totes les partícules del sistema tindran la mateixa energia cinètica.
La segona llei de la termodinàmica es pot formular de la següent manera: "La calor mai no es pot transferir espontàniament d'un cos fred a un de calent". Si introduïm el concepte d'entropia com a mesura del desordre, es pot representar de la següent manera: "Qualsevol procés termodinàmic procedeix amb un augment d'entropia".
Motor tèrmic
Aquest terme s'entén com un sistema que, a causa de l'aportació d'energia externa a aquest, pot realitzar treballs mecànics. Primerles màquines tèrmiques eren màquines de vapor i es van inventar a finals del segle XVII.
La segona llei de la termodinàmica juga un paper decisiu a l'hora de determinar la seva eficàcia. Sadi Carnot també va establir que l'eficiència màxima d'aquest dispositiu és: Eficiència=(T2 - T1)/T2, aquí T2 i T1 són temperatures de l'escalfador i del refrigerador. El treball mecànic només es pot fer quan hi ha un flux de calor d'un cos calent a un de fred, i aquest flux no es pot convertir al 100% en energia útil.
La figura següent mostra el principi de funcionament d'un motor tèrmic (Qabs - calor transferida a la màquina, Qced - pèrdua de calor, W - treball útil, P i V - pressió i volum de gas al pistó).
Zero absolut i postulat de Nernst
Per últim, passem a la consideració de la tercera llei de la termodinàmica. També s'anomena postulat de Nernst (nom del físic alemany que el va formular per primer cop a principis del segle XX). La llei diu: "No es pot arribar al zero absolut amb un nombre finit de processos". És a dir, és impossible de cap manera "congelar" completament les molècules i els àtoms d'una substància. La raó d'això és el constant intercanvi de calor existent amb el medi ambient.
Una conclusió útil extreta de la tercera llei de la termodinàmica és que l'entropia disminueix a mesura que es mou cap al zero absolut. Això vol dir que el sistema tendeix a organitzar-se. Aquest fet potutilitzar, per exemple, per transferir paraimants a un estat ferromagnètic quan es refreden.
És interessant assenyalar que la temperatura més baixa que s'ha assolit fins ara és de 5·10−10 K (2003, laboratori del MIT, EUA).
