Что такое термодинамика:
Термодинамика - это раздел физики, изучающий взаимосвязь между теплом, приложенной силой (также известной как работа) и передачей энергии.
Слово термодинамика происходит от греческих корней. θερμο- (термо-), что означает «тепло», и δυναμικός (динамикос), который, в свою очередь, происходит от δύναμις (dýnamis), что означает «сила» или «мощь».
Термодинамические процессы определяются тремя основными законами.
- Первый закон позволяет нам понять, как сохраняется энергия.
- Второй закон используется для определения условий, необходимых для передачи энергии.
- Третий закон служит для познания поведения систем в равновесии.
Понимание термодинамических процессов важно в таких областях, как промышленное машиностроение, где необходимо использовать большое количество энергии для работы нескольких машин.
Законы термодинамики также позволяют нам понять функционирование систем в таких областях, как биохимия, космология и генетика.
Законы термодинамики
В термодинамике есть три закона, которые объясняют, как работают и передаются тепло и энергия. Мы объясним их подробно ниже.
Первый закон термодинамики
Первый закон касается сохранения энергии: энергия не создается и не уничтожается, она только трансформируется. Например:
- Солнечная энергия преобразуется в электроэнергию для станции технического обслуживания.
- Эту электрическую энергию можно использовать для зарядки аккумулятора электромобиля.
- Электромобиль способен преобразовывать накопленную энергию в смещение.
Таким образом, энергия всегда в движении.
Упрощенная формула будет следующей:
Второй закон термодинамики
Второй закон термодинамики позволяет определить две вещи:
- Направление, в котором происходит передача энергии.
- Условия, необходимые для обращения вспять процесса.
Отсюда мы узнаем, что есть обратимые и необратимые процессы.
Например, поваренная соль самопроизвольно смешивается с водой в результате процесса, называемого разбавлением. Этот процесс выделяет тепло.
Чтобы обратить этот процесс вспять и повторно сформировать кристаллы соли, необходимо приложить тепло, которое позволит воде испариться и отделить ее от соли. Система поглощает тепло.
Упрощенная формула будет следующей:
Третий закон термодинамики
Третий закон термодинамики объединяет два предыдущих закона и применяет их к системам, находящимся в абсолютном равновесии. В этом состоянии происходит минимум энергообмена и максимальная степень беспорядка (или энтропии).
Третий закон применяется к закрытым системам. Эти типы систем можно увидеть только в теоретической физике и химии.
Упрощенная формула будет такой:
Типы систем в термодинамике
Чтобы понять законы термодинамики, в первую очередь важно знать типы существующих систем и их поведение.
Все вокруг нас состоит из систем, и большинство известных нам систем обмениваются энергией. Системы делятся на три типа: открытые, закрытые и изолированные.
- Открытые системы: они обмениваются энергией и веществом с внешним миром (например, костер).
- Закрытые системы: они только обмениваются энергией с внешним миром (например, с мобильным телефоном).
- Изолированные системы: Они не обмениваются веществом или энергией (они только теоретические).
В то время как первый и второй законы термодинамики применимы к открытым и закрытым системам, третий закон применим к изолированным системам.
Состояние системы
Существуют два основных состояния, в которых могут находиться системы (независимо от их типа).
- Активные системы: если происходит обмен энергией, система считается активной.
- Системы в состоянии покоя или равновесия: если нет обмена энергией, система считается покоящейся или находящейся в равновесии.
Тепло и теплопередача в термодинамике
Согласно физике, тепло - это поток энергии, возникающий при контакте двух систем с разными температурами. Тепловое равновесие достигается, когда все задействованные системы достигают одинаковой температуры.
В термодинамических системах, если две из них находятся в равновесии с третьей системой, то они также находятся в равновесии друг с другом. Поэтому при достижении равновесия температура остается постоянной.
