Co je termodynamika?

V pokračování našeho kurzu „Fyzika pro figuríny“ začneme zvažovat základy tak důležité části, jako je termodynamika.

Aktivní rozvoj termodynamiky začal v devatenáctém století. Tehdy lidé začali stavět první parní stroje a poté je aktivně zavádět do výroby. Začala průmyslová revoluce a všichni přirozeně chtěli zvýšit efektivitu strojů, aby mohli vyrábět více produktů, cestovat dál a nakonec získat více peněz. To vše velmi dobře stimulovalo rozvoj vědy a naopak. Ale pojďme k jádru věci.

Termodynamika je obor fyziky, který studuje makroskopické systémy, jejich nejobecnější vlastnosti, způsoby přenosu a přeměny energie v takových systémech.

Co jsou makroskopické systémy? Jedná se o systémy skládající se z velmi velkého počtu částic. Například plynová láhev nebo balón. Popsat takové systémy pomocí metod klasické mechaniky je prostě nemožné – vždyť nemůžeme měřit rychlost, energii a další parametry každé molekuly plynu jednotlivě. Přesto chování celé populace částic podléhá statistickým zákonitostem. Ve skutečnosti lze jakýkoli objekt viditelný pro nás (pouhým okem) definovat jako termodynamický systém.

Termodynamický systém – skutečně nebo mentálně rozlišený makroskopický fyzikální systém skládající se z velkého množství částic, který pro svůj popis nevyžaduje použití mikroskopických charakteristik jednotlivých částic. V souladu s tím se k popisu termodynamického systému používají makroskopické parametry, které se nevztahují ke každé částici, ale popisují systém jako celek. Tento teplota, tlak, objem, hmotnost systému a tak dále.

Je důležité si uvědomit, že termodynamické systémy mohou být ZAVŘENO и OTEVŘENO. Uzavřený systém je systém, který je chráněn před okolím pomocí reálného nebo imaginárního obalu, přičemž počet částic v systému zůstává konstantní.

Systém může být v různých stavech. Vzali jsme například plynovou láhev a začali ji ohřívat. Tak jsme změnili energii molekul plynu, začaly se pohybovat rychleji a systém se posunul do nějakého nového stavu s vyšší teplotou. Ale co se stane, když systém zůstane sám? Potom po nějaké době systém přejde do stavu termodynamická rovnováha.

Termodynamická rovnováha je stav systému, ve kterém jeho makroskopické parametry (teplota, objem atd.) zůstávají v průběhu času neměnné.

Termodynamika stojí na svých třech pilířích. Existují tři základní postuláty neboli tři zákony termodynamiky. Říká se jim první, druhý a třetí termodynamický zákon. Podívejme se na první zákon nebo první zákon termodynamiky.

První zákon termodynamiky

První termodynamický zákon říká:

V každém izolovaném systému zůstává dodávka energie konstantní.

Mimochodem, tento postulát má několik ekvivalentnějších formulací. Uveďme je níže:

Množství tepla přijatého systémem jde ke změně vnitřní energie systému a také k výkonu práce proti vnějším silám.

Perpetum mobile prvního druhu (motor, který pracuje bez vynaložení energie) je nemožný.

Zapišme si také matematické vyjádření prvního termodynamického zákona:

Zde Q je množství tepla, delta U je změna vnitřní energie, A je práce proti vnějším silám. Pro různé termodynamické procesy, vzhledem k jejich charakteristikám, bude záznam prvního zákona vypadat jinak.

Proč je věčný stroj prvního druhu nemožný?

Již od pradávna lidi přitahovaly dárky Her Majesty Freebies. Kámen mudrců, který promění jakýkoli kov ve zlato, vlastnoručně složený ubrus, se kterým nemusíte vařit, džin, který splní každé přání. Další takovou myšlenkou byla myšlenka stroje na věčný pohyb.

Pokud se nikdo nepokusil najít vlastnoručně sestavený ubrus, pak se mnohokrát pokusil vynalézt stroj na věčný pohyb. V průběhu staletí se různí lidé ptali sami sebe: jak postavit perpetum mobile? Podle historických záznamů se o první takový pokus pokusil ve dvanáctém století jistý indický vědec. Pak bylo mnoho dalších pokusů, včetně Leonarda da Vinciho, který na této otázce úzce spolupracoval. Konečně v devatenáctém století bystré hlavy Hermanna Helmholtze a Jamese Jouleho zformulovaly první princip dynamiky a potvrdily jej experimenty, které rozptýlily všechny pochybnosti. Užitečný je i článek o tom, jak udělat prezentaci ve Wordu a Powerpointu.

Perpetum mobile je nemožné, protože tak svět funguje. Říkají nám to zákony termodynamiky. Podle prvního zákona termodynamiky množství tepla přijatého systémem mění vnitřní energii systému a také působí proti vnějším silám. Například plyn umístěný ve válci s pístem, přijímající určité množství tepla, zvyšuje svou vnitřní energii, molekuly se pohybují rychleji, plyn zaujímá větší objem a tlačí píst (práce proti vnějším silám). Jinými slovy, je-li práce vykonávána bez vnějšího přílivu energie, lze ji vykonávat pouze díky vnitřní energii systému, která dříve nebo později vyschne a přemění se v dokonalou práci, v níž vše skončí a systém se dostane do stavu termodynamické rovnováhy. Energie na světě totiž nikam neodchází ani nepřichází, její množství zůstává konstantní a mění se pouze její forma. Jistě jste si všimli, že mluvíme o tzv. perpetuum mobile prvního druhu (který dokáže pracovat bez energie). Spěcháme vás ujistit, že existence věčného stroje druhého druhu je také nemožná a je vysvětlena druhým termodynamickým zákonem, o kterém budeme hovořit v blízké budoucnosti.

Doufáme, že vaše seznámení s termodynamikou bylo příjemné a že si ji zamilujete z celého srdce. Pokud se tak nestane, vždy můžete zadávat úkoly z termodynamiky našim autorůmzatímco děláte příjemnější věci.

Pomůžeme vám projít se skvělými výsledky a bez opakování.

• Kontrolní práce od 1 dne / od 120 rublů. Zjistěte cenu
• Práce od 7 dnů / od 9540 rublů Zjistěte cenu
• Kurz od 5 dnů / od 2160 rublů. Zjistěte cenu
• Abstrakt od 1 dne / od 840 rublů Zjistěte cenu

Ivan Kolobkov, také známý jako Joni. Marketér, analytik a copywriter ve společnosti Zaochnik. Mladý nadějný spisovatel. Má lásku k fyzice, vzácným věcem a dílu C. Bukowského.

Naše sociální sítě
Obsah

Navigace v článku

Předchozí článek Teorie vzniku vesmíru a jeho modely Další článek Druhý termodynamický zákon: věčný pohyb druhého druhu a tepelná smrt vesmíru

• Registrace děl
• Zpráva z praxe
• Abstrakty
• Teze
• Test
• Práce v kurzu
• Pro uchazeče
• Poznámka pro studenty
• Pro absolventy VŠ/VŠ
• Jít na vysokou školu
• Žebříček ruských univerzit
• Příprava na zkoušku
• Studovat v zahraničí
• Kariéra pro začátečníky
• Nezávislá práce
• Výkresy
• Prezentace
• Esej
• Cizí jazyky
• Postgraduální vzdělávání
• Je dobré vědět
• Životní hacky
• Genetika pro figuríny
• Matematika pro figuríny
• Chemie pro figuríny
• Ekonomika pro blbce
• Biologie pro figuríny
• Ekologie pro figuríny
• Fyzika pro figuríny
• Účetnictví a audit pro figuríny
• Typy certifikací
• Přezkum
• VKR

Fyzikální disciplína „Termodynamika“, která má doslovný překlad z řečtiny jako θέρμη – „teplo“, δύναμις – „síla“, se zabývá studiem obecných charakteristik makrosystémů a cirkulace energie v nich. Tato věda je klasifikována jako fenomenologický typ, i když je založena na faktech získaných experimentálně.

Termodynamický systém uvažovaný z této perspektivy má specifické vlastnosti, které nejsou použitelné pro jednotlivé atomy a molekuly. Patří sem teplota, energie, objem, koncentrace roztoků, tlak.

Takové parametry se určují pomocí termodynamických vzorců.

Základní vzorce termodynamiky

Charakteristickým rysem termodynamiky je, že její postuláty se netýkají interakce jednotlivých jednotek (atomů, molekul), jako v molekulární fyzice. Předmětem studia je obecná přeměna energie, tvorba tepla, přenos tepla a práce.

Na základě toho jsou identifikovány základní vzorce termodynamiky, které zahrnují:

1. Mendělejevova-Clayperonova rovnice: (PV=(m/M)*RT) . Jeho význam je ve změnách tří vstupních veličin, které mají za cíl charakterizovat stav ideálního plynu.
2. Množství látky označené písmenem (ν). (nu=N/NA=m/mu) Veličina vyjadřující, kolik identických strukturních složek (jednotek) je v látce.
3. Daltonův zákon: tlak směsi plynů na stěně nádoby se rovná součtu tlaků každého prvku obsaženého ve směsi: (p=p1+p2+. pn.)
4. Hlavní rovnice MKT (molekulární kinetická teorie): (p=2n/3n=N/V) . Vyjadřuje matematický vztah takových parametrů, jako je tlak plynu a mikroparametry: hmotnost molekul, rychlost jejich pohybu, koncentrace.
5. Průměrná kinetická energie translačního pohybu molekuly plynu. Pro označení se používá (E_k), vyjádřeno vzorcem: (E_k=E_/NA=3/2ast RT/NA) . Jeho mírou je absolutní teplota ideálního plynu, protože potenciální energie (díky vzájemnému působení molekul) je nulová. Vědět, že R/N_A=k, vzorec je: (E_k=3/2ast kT) .
6. Tlak ideálního plynu je přímo úměrný koncentraci a jeho teplotě: (P=nkT.)
7. Rychlost molekul je určena vzorcem:
   (V=surd(2kT/m_o)=surd(2RT/mu)) – nejpravděpodobnější;
   (=surd(8kT/pi m_o)=surd(8RT/pimu)) – aritmetický průměr;
   (surd(3kT/m_o)=surd(3RT/mu)) – střední kvadrát.
8. Součet kinetických energií všech molekul určuje vnitřní energii celého ideálního plynu. Matematicky výraz vypadá takto: (U=i/2ast(m/mu)ast RT.)
9. Vzorec pro určení práce, kterou vykoná ideální plyn při expanzi: (A=P(V_2-V_1).)
10. Vzorec prvního zákona termodynamiky: (Q=Delta U+A.)
11. K určení měrné tepelné kapacity látky se používá matematický výraz: (С=Delta Q/mdT.)
12. Kromě měrné tepelné kapacity existuje pojem molární tepelné kapacity. K jeho určení se používá vzorec: (C=cmu) . Pro izochorický děj má správný vzorec tvar: (C_v=1/2ast R) , pro izobarický děj: (C_p=((i+2)/2)ast R) .

První zákon termodynamiky

Podle prvního zákona termodynamiky (Q) (množství vnitřního tepla), které plyn přijatý zvenčí, spotřebuje na vykonání práce (A) a změnu vnitřní energie (U). Vzorec zákona: (Q=Delta U+A).

V praxi lze plyn ohřívat nebo chladit. V tomto případě však uvažujeme izotermický proces, při kterém jeden z charakterizujících parametrů zůstává nezměněn.

Pokud je proces izotermický, aktivuje se v chemii Boyle-Mariotův zákon. Uvádí, že tlak plynu je nepřímo úměrný jeho původnímu objemu při stabilní teplotě.

Když proces probíhá při konstantním objemu, říká se, že je izochorický. Tady vstupuje do hry Karlův zákon. Za uvedených podmínek se teplo, které vstoupilo do plynu, spotřebuje na změnu vnitřní energie. Jinými slovy, (P) je úměrné (T).

Výskyt procesů v ideálním plynu při konstantním tlaku je izobarický. Platí zde Gay-Lussacův zákon, který je vyjádřen rovnicí:

(Q=Delta U=pDelta V)

Úplná formulace zákona zní: teplo přijaté během izobarického procesu je vynaloženo na práci plynu a také mění jeho vnitřní energii.

Některé procesy probíhají izolovaně od vnějšího prostředí. Plyn nedostává další energii. Tato situace se nazývá adiabatická a zapisuje se matematicky: (Q=0). Práce (A) je v tomto případě vyjádřena: (A=-delta U.)

Rovnice ideálního plynu v termodynamice

Molekuly ideálního plynu se neustále pohybují. Obecný stav plynu závisí na tom, jak vysoká je rychlost jejich pohybu, a také na velikosti jeho dopadu například na stěny nádoby. Proto je jednou ze základních termodynamických rovnic Clayperon-Mendělejevova rovnice:

V rovnici (m) je jednotka hmotnosti plynu, (M) je jeho molekulová hmotnost, (R) je univerzální veličina zvaná plynová konstanta. Jeho hodnota = 8,3144598. Měřeno v J/(mol*kg).

Termodynamika je také založena na jiných konstantách plynu, například na Avogadrově čísle a Boltzmannově konstantě. Tedy (R=kNA.)

Hmotnost můžete také vypočítat z rovnice Clayperon-Mendělejev. Bude se rovnat součinu hustoty a objemu: (m=rho V) .

Základní rovnice molekulární kinetické teorie (MKT)

Řešení některých problémů závisí na znalosti zvláštností vztahu mezi tlakem plynu a charakteristikami kinetické energie jeho molekul. Matematické vyjádření této závislosti se nazývá základní rovnice MKT:

V tomto výrazu je kinetická energie označena písmenem (E) a koncentrace molekul je označena (n). Každou z těchto fyzikálních veličin lze nalézt na základě odpovídajících vzorců, podle kterých rovnice pro molekulární kinetickou teorii (MKT) nabývá tvaru:

Vzorec pro tepelnou kapacitu a hlavní vzorec pro účinnost v termodynamice

Když se přenos tepla projevuje předáním určitého množství tepla tělesu, mění se jeho energie, ale i teplota.

Množství tepla, označované (Q), které je potřeba k tomu, aby se 1 kg určité látky zahřál o 1 K, je definicí tepelné kapacity látky a označuje se c.

Matematický výraz pro přenesené množství tepla je vzorec:

Hodnota se měří v J/(kg∙K).

V t2〉t1 má množství tepla znaménko plus, proto se látka zahřívá. Pokud je to naopak, pak má Q znaménko mínus a látka se ochladí.

Ve fyzice se při charakterizaci vlastností látky mluví o její tepelné kapacitě. To je důležité například při výběru stavebních materiálů nebo surovin pro výrobu topných zařízení. Tepelná kapacita se rovná součinu hmotnosti a měrné tepelné kapacity daného tělesa:

Vzhledem k tomu, že hmotnost se již odráží v tepelné kapacitě, vypadá zkrácený vzorec pro stanovení (Q) takto:

Na druhou stranu, množství tepla, které zdroj vydává, lze vypočítat pomocí vzorce:

Ve výrazu písmeno (P) označuje výkon ohřívače a (t) čas jejich kontaktu.

Konstrukce sestávající z ohřívače, tělesa příjemce tepla a chladiče se nazývá tepelný stroj. Jako příklad je uvažován spalovací motor. Jako každý mechanismus má takovou charakteristiku, jako je účinnost – faktor účinnosti. K jeho výpočtu se používá vzorec:

Vnitřní energie jednoatomového a dvouatomového ideálního plynu

Charakteristickým rysem ideálního plynu je absence potenciální energie v jeho složkách. Veškerá vnitřní energie je součtem kinetických energií všech molekul. Je to veličina přímo úměrná teplotě ideálního plynu:

Na základě výše uvedených vzorců by měla být velikost kinetické energie translačního pohybu ideálního plynu určena na základě výrazu:

Translační pohyb je charakterizován třemi stupni volnosti. Každý z nich představuje jednu třetinu celkové kinetické energie.

Dvě nebo více atomových molekul plynu jsou charakterizovány stupni volnosti, pokud jde o rotační pohyb.

Označíme-li počet molekul v jednom kilomolu na (Nμ), pak vnitřní energie ideálního plynu bude měřena vzorcem:

Ve vzorci (i) je počet stupňů volnosti.

Pokud je plyn monatomický, (i=3), dvouatomový – 5, tříatomový nebo více – 6.

Termodynamické problémy charakterizují běžné fyzikální procesy, a proto jsou některé součástí zkouškových programů. Pokud na jejich vyřešení nemáte dostatek času, můžete se obrátit o pomoc na Phoenix.Help. Na specializovaném webu vám pomohou zvládnout jakýkoli, i složitý úkol, ušetří vám čas a námahu.

• Sticky Science
• Příprava na testy, zkoušky, hodnocení