תרמודינמיקה היא אזור בפיזיקה החוקר העברות אנרגיה. הוא מבקש להבין את הקשרים בין חום, אנרגיה ועבודה, תוך ניתוח כמויות החום המוחלפות והעבודה המתבצעת בתהליך פיזי.
המדע התרמודינמי פותח בתחילה על ידי חוקרים שחיפשו דרך לשיפור מכונות, בתקופת המהפכה התעשייתית, ושיפור יעילותן.
ידע זה מיושם כיום במצבים שונים בחיי היומיום שלנו. לדוגמא: מכונות ומקררים תרמיים, מנועי רכב ותהליכים לשינוי מינרלים ומוצרי נפט.
חוקי התרמודינמיקה
החוקים הבסיסיים של התרמודינמיקה שולטים כיצד הופך החום לעבודה ולהיפך.
החוק הראשון של התרמודינמיקה
ה החוק הראשון של התרמודינמיקה מתייחס ל עיקרון של שמירת אנרגיה. משמעות הדבר היא שאנרגיה במערכת אינה יכולה להיהרס או ליצור אלא רק להפוך.
הנוסחה המייצגת את החוק הראשון של התרמודינמיקה היא כדלקמן:
כמות החום, העבודה והווריאציה של האנרגיה הפנימית הם כיחידת מידה סטנדרטית של ה- Joule (J).
דוגמה מעשית לשימור אנרגיה היא כאשר אדם משתמש במשאבה כדי לנפח חפץ מתנפח, הוא משתמש בכוח כדי להזרים אוויר לחפץ. משמעות הדבר היא שאנרגיה קינטית גורמת לבוכנה לרדת. עם זאת, חלק מאנרגיה זו הופך לחום, שאובד לסביבה.
ה חוק הס הוא מקרה מסוים של עיקרון שמירת האנרגיה. יודע יותר!
החוק השני של התרמודינמיקה
בְּ העברות חום הם תמיד מתרחשים מהגוף הכי חם לגוף הכי קר, זה קורה באופן ספונטני, אבל לא להפך. כלומר תהליכי העברת אנרגיה תרמית הם בלתי הפיכים.
בדרך זו, על ידי החוק השני של התרמודינמיקה, לא ייתכן שהחום יומר באופן מלא לצורה אחרת של אנרגיה. מסיבה זו נחשב חום לצורת אנרגיה מושפלת.
הכמות הפיזית הקשורה לחוק השני של התרמודינמיקה היא אנטרופיה, המתאים למידת ההפרעה במערכת.
קרא גם:
- מחזור קרנוט
- התפשטות תרמית
חוק אפס של תרמודינמיקה
ה חוק אפס של תרמודינמיקה עוסק בתנאים לקבלת איזון תרמי. בין התנאים הללו ניתן להזכיר את השפעתם של חומרים ההופכים את המוליכות החום לעלייה או נמוכה יותר.
על פי חוק זה,
- אם גוף A נמצא בשיווי משקל תרמי במגע עם גוף B ו-
- אם גוף A זה נמצא בשיווי משקל תרמי במגע עם גוף C, אז
- B נמצא בשיווי משקל תרמי במגע עם C.
כאשר שני גופים עם טמפרטורות שונות מובאים במגע, זה החם יותר יעביר חום לזה הקריר יותר. זה גורם לטמפרטורות להשוות להגיע ל איזון תרמי.
זה נקרא חוק האפס מכיוון שהבנתו הוכיחה את עצמה כנדרשת לשני החוקים הראשונים שכבר היו, החוק הראשון והשני של התרמודינמיקה.
החוק השלישי של התרמודינמיקה
ה החוק השלישי של התרמודינמיקה זה נראה כניסיון לבסס נקודת התייחסות מוחלטת הקובעת אנטרופיה. אנטרופיה היא למעשה הבסיס לחוק השני של התרמודינמיקה.
וולטר נרנסט, הפיזיקאי שהציע זאת, הגיע למסקנה שלא ייתכן שלחומר טהור בטמפרטורה של אפס תהיה אנטרופיה בערך משוער של אפס.
מסיבה זו, זהו חוק שנוי במחלוקת, הנחשב על ידי פיזיקאים רבים ככלל ולא כחוק.
מערכות תרמודינמיות
במערכת תרמודינמית יכול להיות גוף אחד או כמה שקשורים. הסביבה המקיפה אותה והיקום מייצגת את הסביבה החיצונית למערכת. ניתן להגדיר את המערכת כ: פתוחה, סגורה או מבודדת.
מערכות תרמודינמיות
כאשר המערכת נפתחת, יש העברת מסה ואנרגיה בין המערכת לסביבה החיצונית. במערכת הסגורה יש רק העברת אנרגיה (חום), וכאשר היא מבודדת אין חילופי דברים.
התנהגות של גזים
ההתנהגות המיקרוסקופית של גזים מתוארת ומתפרשת ביתר קלות מאשר במצבים פיזיקליים אחרים (נוזליים ומוצקים). זו הסיבה שהגזים משמשים ביותר במחקרים אלה.
במחקרים תרמודינמיים משתמשים בגזים אידיאליים או מושלמים. זהו מודל בו חלקיקים נעים בכאוטיות ומתקשרים רק בהתנגשויות. יתר על כן, נחשב כי התנגשויות אלה בין החלקיקים, ובינם לבין קירות המכל, הן אלסטיות ונמשכות זמן קצר מאוד.
במערכת סגורה, הגז האידיאלי מניח התנהגות הכרוכה בכמויות הפיזיקליות הבאות: לחץ, נפח וטמפרטורה. משתנים אלה מגדירים את המצב התרמודינמי של גז.
התנהגות גזים על פי חוקי הגז
לחץ (p) נוצר על ידי תנועה של חלקיקי גז בתוך המיכל. השטח שתופס הגז בתוך המיכל הוא הנפח (v). והטמפרטורה (t) קשורה לאנרגיה הקינטית הממוצעת של חלקיקי הגז הנעים.
קרא גם חוק הגז ו חקר גזים.
אנרגיה פנימית
האנרגיה הפנימית של מערכת היא כמות פיזית המסייעת למדוד כיצד מתרחשות התמורות שעובר גז. גודל זה קשור לשינוי בטמפרטורה ובאנרגיה הקינטית של חלקיקים.
לגז אידיאלי, המורכב מסוג אטום אחד בלבד, יש אנרגיה פנימית ביחס ישר לטמפרטורת הגז. זה מיוצג על ידי הנוסחה הבאה:
תרגילים נפתרים בנושא תרמודינמיקה
שאלה 1
גליל עם בוכנה נידחת מכיל גז בלחץ 4.0.104N / m2. כאשר 6 קילוJJ של חום מסופק למערכת, בלחץ קבוע, נפח הגז מתרחב ב 1.0.10-1M3. קבעו את העבודה שנעשתה ואת השינוי באנרגיה הפנימית במצב זה.
תשובה נכונה: העבודה שבוצעה היא 4000 J והשינוי באנרגיה הפנימית הוא 2000 J.
נתונים:
פ = 4,0.104 N / m2
ש = 6KJ או 6000J
ΔV = 1,0.10-1 M3
T =? ΔU =?
שלב ראשון: חישוב העבודה עם נתוני הבעיה.
T = P. ΔV
T = 4.0.104. 1,0.10-1
T = 4000 J
שלב שני: חישוב הווריאציה של האנרגיה הפנימית עם הנתונים החדשים.
Q = T + ΔU
ΔU = Q - T
ΔU = 6000 - 4000
ΔU = 2000J
לכן העבודה שבוצעה היא 4000 J והשינוי האנרגטי הפנימי הוא 2000 J.
שאלה 2
(מותאם מ- ENEM 2011) מנוע יכול לבצע עבודה רק אם הוא מקבל כמות אנרגיה ממערכת אחרת. במקרה זה, האנרגיה השמורה בדלק משתחררת בחלקה במהלך הבעירה כדי שהמכשיר יוכל לתפקד. כאשר המנוע פועל, לא ניתן להשתמש בחלק מהאנרגיה שהוסבה או הופכת בעירה לעבודה. המשמעות היא שיש דליפת אנרגיה בצורה אחרת.
על פי הטקסט, טרנספורמציות האנרגיה המתרחשות במהלך הפעלת המנוע נובעות מ:
א) שחרור חום בתוך המנוע אינו אפשרי.
ב) עבודות המבוצעות על ידי המנוע אינן ניתנות לשליטה.
ג) המרה מלאה של חום לעבודה היא בלתי אפשרית.
ד) הפיכת אנרגיה תרמית לקינטיקה אינה אפשרית.
ה) שימוש בלתי אפשרי באנרגיה בדלק אינו ניתן לשליטה.
חלופה נכונה: ג) המרה מלאה של חום לעבודה היא בלתי אפשרית.
כפי שנראה קודם, לא ניתן להמיר חום לעבודה באופן מלא. במהלך פעולת המנוע חלק מהאנרגיה התרמית הולכת לאיבוד ומועברת לסביבה החיצונית.
ראה גם: תרגילים על תרמודינמיקה
