თერმოდინამიკა: კანონები, ცნებები, ფორმულები და სავარჯიშოები

თერმოდინამიკა ფიზიკის ის დარგია, რომელიც ენერგიის გადაცემებს სწავლობს. იგი ცდილობს გააცნობიეროს ურთიერთობა სითბოს, ენერგიასა და მუშაობას შორის, აანალიზებს გაცვლილი სითბოს რაოდენობასა და ფიზიკურ პროცესში შესრულებულ სამუშაოს.

თერმოდინამიკური მეცნიერება თავდაპირველად შეიმუშავეს მკვლევარებმა, რომლებიც ეძებდნენ მანქანების გაუმჯობესების გზას, ინდუსტრიული რევოლუციის პერიოდში, მათი ეფექტურობის გასაუმჯობესებლად.

ეს ცოდნა ამჟამად გამოიყენება ჩვენი ყოველდღიური ცხოვრების სხვადასხვა სიტუაციებში. მაგალითად: თერმული დანადგარები და მაცივრები, ავტომობილების ძრავები და მინერალებისა და ნავთობპროდუქტების ტრანსფორმაციის პროცესები.

თერმოდინამიკის კანონები

თერმოდინამიკის ფუნდამენტური კანონები არეგულირებს როგორ ხდება სითბოს მუშაობა და პირიქით.

თერმოდინამიკის პირველი კანონი

თერმოდინამიკის პირველი კანონი ეხება ენერგიის დაზოგვის პრინციპი. ეს ნიშნავს, რომ სისტემაში ენერგია ვერ განადგურდება ან შეიქმნება, მხოლოდ გარდაიქმნება.

ფორმულა, რომელიც წარმოადგენს თერმოდინამიკის პირველ კანონს, ასეთია:

სითბოს რაოდენობა, სამუშაო და შინაგანი ენერგიის ცვალებადობა Joule (J) - ის საზომი სტანდარტული ერთეულია.

ენერგიის დაზოგვის პრაქტიკული მაგალითია, როდესაც ადამიანი იყენებს ტუმბოს გასაბერი ობიექტის გასაბერად, იგი ძალებს იყენებს ობიექტში ჰაერის ტუმბოსთვის. ეს ნიშნავს, რომ კინეტიკური ენერგია იწვევს დგუშის დაცემას. ამასთან, ამ ენერგიის ნაწილი სითბოდ გარდაიქმნება, რაც გარემოსთვის იკარგება.

ჰესის კანონი ენერგიის დაზოგვის პრინციპის განსაკუთრებული შემთხვევაა. შეიტყვეთ მეტი!

თერმოდინამიკის მეორე კანონი

საათზე სითბოს გადაცემა ისინი ყოველთვის გვხვდება ყველაზე თბილი სხეულიდან ყველაზე ცივ სხეულამდე, ეს ხდება სპონტანურად, მაგრამ არა პირიქით. რაც იმას ნიშნავს, რომ თერმული ენერგიის გადაცემის პროცესები შეუქცევადია.

ამ გზით, თერმოდინამიკის მეორე კანონი, არ არის გამორიცხული სითბო მთლიანად გადაიქცეს ენერგიის სხვა ფორმად. ამ მიზეზით, სითბო ითვლება ენერგიის დეგრადირებულ ფორმად.

თერმოდინამიკის მეორე კანონის მაგალითი

ფიზიკური სიდიდე, რომელიც უკავშირდება თერმოდინამიკის მეორე კანონს არის ენტროპია, რაც შეესაბამება სისტემის არეულობის ხარისხს.

წაიკითხეთ ასევე:

• კარნოტის ციკლი
• Თერმული გაფართოება

თერმოდინამიკის ნულოვანი კანონი

თერმოდინამიკის ნულოვანი კანონი ეხება მოპოვების პირობებს თერმული ბალანსი. ამ პირობებს შორის შეგვიძლია აღვნიშნოთ მასალების გავლენა, რომლებიც თერმული კონდუქტომეტს უფრო ან უფრო მაღალს ხდის.

ამ კანონის თანახმად,

1. თუ A სხეული თერმული წონასწორობაშია B სხეულთან შეხებისას და
2. თუ ეს სხეული A თერმულ წონასწორობაშია C სხეულთან შეხებისას, მაშინ
3. B თერმული წონასწორობაშია C– სთან კონტაქტში.

როდესაც ორი განსხვავებული ტემპერატურის მქონე სხეული დაუკავშირდება, ერთი უფრო თბილი სითბოს გადასცემს გაცივებულს. ეს იწვევს ტემპერატურის ტოლობის მიღწევას თერმული ბალანსი.

მას ნულოვან კანონს უწოდებენ, რადგან მისი გაგება აუცილებელი აღმოჩნდა უკვე არსებული ორი პირველი კანონისთვის, თერმოდინამიკის პირველი და მეორე კანონისთვის.

თერმოდინამიკის მესამე კანონი

თერმოდინამიკის მესამე კანონი ეს, როგორც აბსოლუტური მითითების წერტილის დამკვიდრების მცდელობა, რომელიც განსაზღვრავს ენტროპიას. ენტროპია სინამდვილეში თერმოდინამიკის მეორე კანონის საფუძველია.

ფიზიკოსმა, ვოლტერ ნერნსტმა, რომელმაც ეს შემოგვთავაზა, დაასკვნა, რომ არ არის გამორიცხული, რომ სუფთა ნივთიერებას ნულოვანი ტემპერატურა ჰქონდეს ენტროპია ნულის სავარაუდო მნიშვნელობით.

ამ მიზეზით, ეს არის სადავო კანონი, რომელსაც მრავალი ფიზიკოსი განიხილავს როგორც წესს და არა კანონს.

თერმოდინამიკური სისტემები

თერმოდინამიკურ სისტემაში შეიძლება არსებობდეს ერთი ან რამდენიმე სხეული, რომლებიც დაკავშირებულია. გარემო, რომელიც მას და სამყაროს აკრავს, წარმოადგენს სისტემის გარემოს გარემოს. სისტემა შეიძლება განისაზღვროს, როგორც: ღია, დახურული ან იზოლირებული.

თერმოდინამიკური სისტემები

სისტემის გახსნისას ხდება მასისა და ენერგიის გადაცემა სისტემასა და გარე გარემოს შორის. დახურულ სისტემაში ხდება მხოლოდ ენერგიის გადაცემა (სითბო), ხოლო როდესაც იგი იზოლირებულია, არ ხდება გაცვლა.

გაზების ქცევა

გაზების მიკროსკოპული ქცევა უფრო მარტივად არის აღწერილი და ინტერპრეტირებული, ვიდრე სხვა ფიზიკურ მდგომარეობებში (თხევადი და მყარი). ამიტომ ამ კვლევებში გაზები ყველაზე მეტად გამოიყენება.

თერმოდინამიკურ კვლევებში გამოიყენება იდეალური ან სრულყოფილი გაზები. ეს არის მოდელი, რომელშიც ნაწილაკები ქაოტურად მოძრაობენ და ურთიერთქმედებენ მხოლოდ შეჯახების დროს. გარდა ამისა, ითვლება, რომ ეს შეჯახებები ნაწილაკებს შორის და მათსა და კონტეინერის კედლებს შორის არის ელასტიური და გრძელდება ძალიან მოკლე დროში.

დახურულ სისტემაში იდეალური გაზი გულისხმობს ქცევას, რომელიც მოიცავს შემდეგ ფიზიკურ რაოდენობებს: წნევა, მოცულობა და ტემპერატურა. ეს ცვლადები განსაზღვრავს გაზის თერმოდინამიკურ მდგომარეობას.

გაზების ქცევა გაზის კანონმდებლობის შესაბამისად

წნევა (p) წარმოიქმნება გაზის ნაწილაკების კონტეინერის შიგნით გადაადგილებით. კონტეინერის შიგნით გაზის მიერ დაკავებული სივრცეა მოცულობა (v). ხოლო ტემპერატურა (t) უკავშირდება მოძრავი გაზის ნაწილაკების საშუალო კინეტიკურ ენერგიას.

წაიკითხე შენც გაზის კანონი და გაზების შესწავლა.

შინაგანი ენერგია

სისტემის შიდა ენერგია არის ფიზიკური სიდიდე, რომელიც ხელს უწყობს გაზში გატარებული გარდაქმნების გაზომვას. ეს სიდიდე უკავშირდება ნაწილაკების ტემპერატურისა და კინეტიკური ენერგიის ცვალებადობას.

იდეალური გაზი, რომელიც შედგება მხოლოდ ერთი ტიპის ატომისგან, აქვს შიდა ენერგია გაზის ტემპერატურის პირდაპირპროპორციული. ეს წარმოდგენილია შემდეგი ფორმულით:

გადაჭრილი ვარჯიშები თერმოდინამიკაზე

კითხვა 1

მოძრავი დგუშიანი ცილინდრი შეიცავს გაზს 4.0.10 წნევაზე⁴N / მ². როდესაც 6 კჯ სითბო მიეწოდება სისტემას, მუდმივი წნევის დროს, გაზის მოცულობა ფართოვდება 1.0.10-ით^-1მ³. განსაზღვრეთ შესრულებული სამუშაო და შინაგანი ენერგიის ცვლილება ამ სიტუაციაში.

იხილეთ პასუხი

სწორი პასუხი: შესრულებული სამუშაოა 4000 J და შინაგანი ენერგიის ცვლილება 2000 J.

მონაცემები:

პ = 4,0.10⁴ N / მ²
Q = 6KJ ან 6000J
ΔV = 1,0.10^-1 მ³
T =? ΔU =?

პირველი ნაბიჯი: გამოთვალეთ სამუშაოები პრობლემის მონაცემებთან.

T = პ. ΔV
T = 4.0.10⁴. 1,0.10^-1
T = 4000 ჯ

მე -2 ნაბიჯი: გამოთვალეთ შინაგანი ენერგიის ვარიაცია ახალი მონაცემებით.

Q = T + ΔU
ΔU = Q - T

ΔU = 6000 - 4000
ΔU = 2000J

შესაბამისად, შესრულებული სამუშაოა 4000 J და შინაგანი ენერგიის ცვლილება 2000 J.

კითხვა 2

(ადაპტირებულია ENEM 2011 წლიდან) ძრავას შეუძლია სამუშაოს შესრულება მხოლოდ იმ შემთხვევაში, თუ ის ენერგიის ოდენობას მიიღებს სხვა სისტემისგან. ამ შემთხვევაში, საწვავში შენახული ენერგია ნაწილობრივ გამოიყოფა წვის დროს, რომ მოწყობილობამ იმოქმედოს. ძრავის მუშაობისას, წვის შედეგად გარდაქმნილი ან გარდაქმნილი ენერგიის ნაწილი არ შეიძლება გამოყენებულ იქნას სამუშაოს შესასრულებლად. ეს ნიშნავს, რომ ენერგიის გაჟონვა ხდება სხვა ფორმით.

ტექსტის თანახმად, ენერგიის გარდაქმნები, რომლებიც ხდება ძრავის მუშაობის დროს, განპირობებულია:

ა) ძრავის შიგნით სითბოს გამოყოფა შეუძლებელია.
ბ) ძრავის მიერ შესრულებული სამუშაო უკონტროლოა.
გ) სითბოს სრული გარდაქმნა სამუშაოზე შეუძლებელია.
დ) თერმული ენერგიის კინეტიკაში გარდაქმნა შეუძლებელია.
ე) საწვავის პოტენციური ენერგიის გამოყენება უკონტროლოა.

იხილეთ პასუხი

სწორი ალტერნატივა: გ) სითბოს სრული გარდაქმნა სამუშაოზე შეუძლებელია.

როგორც ადრე ვნახეთ, სითბო სრულად ვერ გადაკეთდება სამუშაოში. საავტომობილო მუშაობის დროს, თერმული ენერგიის ნაწილი იკარგება და გარე გარემოში გადადის.

აგრეთვე: სავარჯიშოები თერმოდინამიკაზე