Термодинамика

Из Википедије, слободне енциклопедије

Термодинамика (грч. θερμη, топлота и δυναμις, снага) је грана физике која проучава макроскопске утицаје топлоте, рада и енергије на физичке системе честица.[1] У ширем смислу, термодинамика обухвата науку о топлотним особинама материје и прелазима између агрегатних стања (Фазни прелаз).

Реч термодинамика потиче од грчких речи за топлоту и снагу. У називу се реч топлота односи на проток енергије, јер термодинамика с једне стране проучава проток топлотне енергије, а снага се односи на кретање термодинамичког система, где термодинамика проучава начин на који се прозводи механички рад.

Основни проблем термодинамике је одређивање равнотежног стања система који и након укидања границе евентуално може остати у том стању у затвореном сложеном систему.[2] Испитивања у термодинамици се врше применом статистичких метода на елементарне честице које сачињавају посматрани систем.[3][4]

Термодинамика се развила у 19. веку кроз покушаје да се повећа ефикасност раних парних машина.[5] Предност стандардне феноменолошке термодинамике у односу на статистичку физику која проучава исте појаве другим приступом, је та што су њени закони универзални, док је њена непотпуност у томе што се константе у термодинамици добијају или емпиријски или узимају из других грана физике у којима су рачунате.

Термодинамички системи[уреди]

Термодинамички систем се описује као скуп великог броја честица (реда 1023 честица) са идеализованим механичким и електричним особинама, који се може на неки начин одвојити, тј. разликовати од околине, тако да буду задовољени задати гранични услови. Под појмом термодинамичких система најчешће подразумевамо једноставне системе, тј. хомогене, изотропне и ненаелектрисане системе на које не делују никаква спољашња поља, и који су довољно велики да се код њих могу занемарити површински ефекти.[2]

Типичан термодинамички систем се састоји из топлотног извора (грејача) и одвода топлоте (хладњака). Овакав систем производи механички рад преко клипова, полуга, замајаца, и сл. Могућа је и обрнута ситуација где механички рад има за последицу одвођење топлоте, и тада се систем назива топлотна пумпа, као што је на пример фрижидер).

Стационарност[уреди]

Изолован термодинамички систем се одликује стационарношћу, тј. особином да након одређеног времена долази у стационарно стање.

Време релаксације система је карактеристично време потребно датом изолованом систему да дође у стационарно стање. У случају да систем зависи од више параметара (р1, р2, ..., рn) и да за сваки од њих има различито време релаксације (t1, t2, ..., tn), карактеристично време за цео систем је најдужи од временских интервала t1, t2, ..., tn.

Термодинамички процеси[уреди]

Термодинамички процеси подразумевају управљање термодинамичким системом спољним променама параметара (најчешће спољашњом променом температуре, притиска или запремине) тако да он прелази из једног у друго термодинамичко стање. По правилу, термодинамички процеси се међусобно разликују по физичким параметрима који их карактеришу и врсти енергије која се не преноси у датом процесу.

Термодинамички процеси се међусобно разликују у зависности од квалитета граничне површи између система и околине (или између 2 термодинамичка система).[2] Квалитети границе се дефинишу у односу на неки од параметара система, па се тако разликују:

Размена енергије између два термодинамичка система или између система и околине такође зависи од квалитета границе, и може бити[2]:

  • рад, када је кретање уређено и граница омогућава размену рада
  • топлота, микроскопски степени слободе код неуређеног кретања када граница не омогућава размену топлоте (у случајевима када граница омогућава размену топлоте, систем се назива диатермални)
  • путем честица, када је гранична површ пермеабилна

Изоловани систем је систем чија граница не дозвољава размену ни енергије, ни запремине, ни количине супстанце.

Закони термодинамике[уреди]

Теоријска основа термодинамке су термодинамички закони. У њима се помиње физичка величина „ентропија“ која описује све термодинамичке системе. То је мера за „везану“ енергију затвореног материјалног система, тј. за енергију која се, насупрот „слободној“, више не може претворити у рад. По другој дефиницији, ентропија је мерило неуређености система.

Постоје четири општа закона термодинамике чија важност не зависи од детаља термодинамичких система и њихових интеракција, већ само од протока материје и енергије. Четири закона термодинамике су:

Ако су два термодинамичка система у равнотежи са трећим, онда су у равнотежи и међу собом.
Промена унутрашње енергије затвореног термодинамичког система једнака је збиру топлотне енергије додате систему и термодинамичког рада примењеног на систем.
Укупна ентропија изолованог термодинамичког система се временом увећава, све до максималне вредности.
Када се систем асимптотски приближава температурној апсолутној нули, сви процеси практично престају, а ентропија тежи минимуму (нули).

Преношење топлоте[уреди]

Ако два физичка тела имају исту температуру сматра се да су она у топлотној равнотежи и у том случају не утичу једно на друго. Не постоји трансфер топлотне енергије. Ако је једно тело топлије (има вишу температуру), јавља се трансфер топлотне енергије од топлијег ка хладнијем, на три могућа начина: кондукцијом, конвекцијом, и зрачењем. Пренос топлоте са хладнијег тела према топлијем није могуће (види: Други закон термодинамике).

Размена топлоте кондукцијом се односи на директан контакт два физичка тела. Конвекција подразумева неки флуид, као медијум, који се загрева кондукцијом и преноси топлоту другом чврстом телу на исти начин. Станови се греју претежно конвекцијом топлоте: пећ или радијатор загрева ваздух, који струјањем иде до других тела и преноси на њих топлоту кондукцијом. Зрачењем се преноси топлота између два удаљена физичка тела без посредства неког медијума. На овај начин Сунце загрева Земљу.

Види још[уреди]

Референце[уреди]

  1. ^ Шта је термодинамика?, Глен истраживачки центар, НАСА
  2. ^ а б в г Thermodinamics and an Introduction to Thermostatistics, друга едиција, Hebert B. Callen
  3. ^ Perrot, Pierre (1998). A to Z of Thermodynamics. Oxford University Press. ISBN 0-19-856552-6. 
  4. ^ Clark, John, O.E. (2004). The Essential Dictionary of Science. Barnes & Noble Books. ISBN 0-7607-4616-8. 
  5. ^ Clausius, Ruldolf (1850). On the Motive Power of Heat, and on the Laws which can be deduced from it for the Theory of Heat. Poggendorff's Annalen der Physick, LXXIX (Dover Reprint). ISBN 0-486-59065-8. 

Литература[уреди]

  • Clausius, Ruldolf (1850). On the Motive Power of Heat, and on the Laws which can be deduced from it for the Theory of Heat. Poggendorff's Annalen der Physick, LXXIX (Dover Reprint). ISBN 0-486-59065-8. 
  • Clark, John, O.E. (2004). The Essential Dictionary of Science. Barnes & Noble Books. ISBN 0-7607-4616-8. 
  • Perrot, Pierre (1998). A to Z of Thermodynamics. Oxford University Press. ISBN 0-19-856552-6. 

Спољашње везе[уреди]