Co studuje termodynamika / Přírodní věda

Chemická termodynamika studuje přeměnu některých druhů energie na jiné během chemických a fyzikálních procesů. Předmětem chemické termodynamiky je systém – těleso nebo skupina vzájemně se ovlivňujících těles, izolovaná od okolí reálnou nebo imaginární hranicí. Za systém lze například považovat sklenici mléka, jen samotné mléko, aniž bychom brali v úvahu sklenici, nebo naopak – jen sklenici, bez ohledu na to, co v ní je. Někdy se setkáme s nejneočekávanějšími systémy (obr. 1).

Jedna z možných variant termodynamického systému
Originál od _Tophee_ na flickr.com

• vnitřní energieU — celková energetická rezerva systému, včetně energie pohybu molekul, rotace a vibrací atomů v molekulách, energie elektronů a atomových jader, ale nezahrnuje kinetickou a potenciální energii (obr. 2);
• teploQ — forma přenosu energie z jednoho tělesa do druhého za přítomnosti teplotního rozdílu mezi nimi;
• práceA — forma přenosu energie z jednoho těla do druhého během uspořádaného pohybu částic hmoty.

Energie atomových jader a elektronů je základem vnitřní energie systému

Teplo odráží přenos energie mikroúrovni: uvolňuje se nebo absorbuje při přechodu atomů z jednoho stavu do druhého, při vytváření nebo rozbíjení chemických vazeb atd. Práce odráží přenos energie makroúrovni, například pomocí proudů plynů a kapalin – to je základ pro provoz turbín, motorů a dalších zařízení (obr. 3).

V motoru parní lokomotivy se teplo uvolněné při spalování uhlí přeměňuje na práci
Originál od Foto43 na flickr.com

06

Vnitřní energie charakterizuje systém, protože závisí na tom, jaké částice obsahuje a jaké vlastnosti mají; proto to zvažují státní funkce. Naopak teplo a práce charakterizují proces, kterého se systém účastní, proto jsou klasifikovány jako procesní funkce.

Jednotkou energie v soustavě SI je Joule, J; Nese jméno vynikajícího anglického fyzika (obr. 4). Spolu s Jouly se však také hojně používá kalorií, výkaly (z angličtiny. kalorizovat – teplo). Kalorie je vhodná jednotka, protože ukazuje, kolik tepla je potřeba k zahřátí 1 ml vody o 1 °C při atmosférickém tlaku a výpočty související s ohřevem vody najdeme všude v technice. Kalorie a joule jsou spojeny poměrem:

1výkaly = 4,19 J

Klasifikace systémů a jejich parametry

Termodynamické systémy mohou být otevřené nebo uzavřené (obr. 5). Otevřené systémy si s prostředím vyměňují hmotu i energii. Příkladem otevřených systémů jsou lidé, zvířata, rostliny, vodní plochy atd. Uzavřené systémy se dělí na neizolované a izolované. Neizolované systémy si nevyměňují hmotu s okolím, ale energii. Příkladem jsou hermeticky uzavřené produkty (lahve sycené vody, sáčky od chipsů). Izolované systémy si nevyměňují hmotu ani energii. Takové systémy se v přírodě téměř nikdy nenacházejí, nicméně s malou chybou lze termosku a kabinu kosmické lodi takto klasifikovat.

Typy termodynamických systémů

uzavřený neizolovaný
uzavřený izolovaný

Stav systému určují termodynamické parametry. Dělí se na extenzivní a intenzivní. Rozsáhlý parametry závisí na množství látky v systému – to je hmotnost m a objem V. Intenzivní parametry nezávisí na množství látky v systému. Patří mezi ně teplota T, tlak p, hmotnostní zlomek složky ω a některé další veličiny.

V termodynamice používají pouze absolutní teplotní stupnice. Pamatujte, že teplota se měří v Kelvin, К. Jeden stupeň Celsia se rovná jednomu Kelvinu, přičemž stupnice jsou vůči sobě posunuty o 273 К (Obr. 6):

kde T — teplota v Kelvinech, t — Celsia

Teplotní stupnice Kelvin (vlevo) a Celsia (vpravo).

14

Absolutní nula teploty – 0 К nebo –273 °C – je spodní teplotní limit stanovený přírodou. Není možné dosáhnout této teploty, ale moderní zařízení vám umožňuje ochladit tělo na 0,000001 К. Tento typ zařízení, který umožňuje získat hluboký chlad, se nazývá kryogenní.

Termodynamické procesy

Stav systému, ve kterém všechny jeho parametry zůstávají v průběhu času nezměněny, se nazývá termodynamická rovnováha. Všechny systémy v přírodě a technologii usilují o stav rovnováhy, ale ne vždy ho dosahují. Horký písek na pobřeží Středozemního moře se s nástupem krátké letní noci ochlazuje, ale jakmile začne ráno, žhavé jižní slunce ho dál zahřívá s novým elánem.

• izobarický, p = const; například zahřívání písku, vody nebo kamenů pod vlivem slunečního záření;
• izochorický, V = const, například kysání mléka ve skleněné láhvi;
• izotermický, T = const, například nafouknutí balónu;
• adiabatické, kdy se teplo neuvolňuje ani neabsorbuje, tj. ΔQ = 0, například ohřev a chlazení vzdušných hmot.

Někdy lze proces provést například tak, že dva parametry zůstanou nezměněny T и p — pak proces budeme nazývat izobaricko-izotermický (obr. 7).

Mezi znázorněné izotermické procesy patří: fotosyntéza – nejběžnější reakce na Zemi
Originál Wilson (Army Gal) na flickr.com

Termodynamické parametry spolu úzce souvisí. Nejjednodušší vztah mezi nimi je stanoven pro ideální plyny – to je Mendělejevova-Clapeyronova rovnice:

kde R = 8,31 J/(mol K) — univerzální plynová konstanta, — látkové množství, krtek

Zákony termodynamiky

Základ moderní chemické termodynamiky tvoří čtyři zákony: nultý, první, druhý a třetí.

Pokud je systém ve stavu termodynamické rovnováhy, pak je teplota ve všech jeho částech stejná.

Jasným příkladem toho je chlazení teplého mléka v lednici. Ihned poté, co vložíme krabici s mlékem do lednice, je narušena termodynamická rovnováha, protože není splněn nultý zákon. Postupně však dochází k izobaricko-izochorickému ochlazování obalu a ten přebírá teplotu udržovanou uvnitř chladničky. Systém se vrací do stavu rovnováhy.

První zákon — toto je jedna z mnoha formulací zákona zachování energie; Přímo popisuje přeměnu některých druhů energie na jiné během fyzikálních a chemických procesů.

Druhý zákon zkoumá pojmy řád a chaos a také umožňuje určit možnost spontánního výskytu určitých chemických reakcí.

Absolutní nulová teplota je nedosažitelná.

„Co termodynamické studie“, listopad 2009

D. V. Širokov

Termodynamika je věda založená na studiu energie. Termodynamické procesy probíhají denně v každodenním životě, v domácnostech, v průmyslu, při přeměně energie, například v klimatizačních zařízeních, ledničkách, automobilech, kotlích atd. Proto je studium termodynamiky důležité, založené na čtyřech základních zákonech, které stanovují vztahy mezi kvalitou a množstvím energie, jakož i termodynamickými vlastnostmi.

Pro snadné pochopení zákonů termodynamiky je třeba začít s některými základními pojmy, které jsou uvedeny níže, jako je energie, teplo, teplota a další.

obsahu skrýt

Termodynamika

Trocha historie :

Termodynamika studuje výměnu a přeměnu energie v procesech. Již v 1600. století začal Galileo provádět výzkum v této oblasti vynálezem skleněného teploměru a závislostí hustoty kapaliny na její teplotě.

S průmyslovou revolucí byl prováděn výzkum s cílem pochopit vztah mezi teplem, prací a energií paliva a zlepšit výkon parních strojů, který se od roku 1697 s pomocí parního stroje Thomase Saveryho vyvinul do vědy o termodynamice. První a druhý termodynamický zákon byly stanoveny v roce 1850. K rozvoji této vědy, „termodynamiky“, přispělo mnoho vědců, jako například Joule, Kelvin, Clausius, Boltzmann, Carnot, Clapeyron, Gibbs, Maxwell a další.

Co je termodynamika?

Termodynamika je věda, která studuje přeměny energie. Protože původním studiem bylo, jak přeměnit teplo na energii v parních strojích, byla k pojmenování této nové vědy použita řecká slova thermos a dynamis, čímž vzniklo slovo termodynamika. Viz obrázek 1.

Termodynamické aplikace

Aplikace termodynamiky je velmi široká. K přeměně energie dochází v mnoha procesech lidského těla, při trávení potravy, a dokonce i v četných průmyslových procesech výroby potravin. Existují také zařízení v domácnostech, kde se termodynamika uplatňuje, například v žehličkách, ohřívačích vody, klimatizacích atd. Principy termodynamiky se uplatňují také v široké škále oblastí, jako jsou elektrárny, automobily a rakety. Viz obrázek 2.

Základy termodynamiky

Energie (E)

Vlastnost jakéhokoli hmotného nebo nehmotného tělesa nebo systému, kterou lze transformovat změnou jeho polohy nebo stavu. Je také definována jako schopnost nebo kapacita pohybovat hmotou. Na obrázku 3 můžete vidět některé zdroje energie.

Formy energie

Energie se vyskytuje v mnoha formách, včetně větrné, elektrické, mechanické a jaderné. Studium termodynamiky využívá kinetickou energii, potenciální energii a vnitřní energii těles. Kinetická energie (Ec) souvisí s rychlostí, potenciální energie (Ep) s výškou a vnitřní energie (U) s pohybem vnitřních molekul. Viz obrázek 4.

Teplo (Q):

Přenos tepelné energie mezi dvěma objekty o různých teplotách. Teplo se měří v joulech, BTU, librách-stopách nebo kaloriích.

Teplota (T):

Je to míra kinetické energie atomů nebo molekul, které tvoří jakýkoli hmotný objekt. Měří stupeň excitace vnitřních molekul objektu, jeho tepelnou energii. Čím větší je pohyb molekul, tím vyšší je teplota. Měří se ve stupních Celsia, stupních Kelvina, stupních Rankina nebo stupních Fahrenheita. Obrázek 5 ukazuje ekvivalenci některých teplotních stupnic.

Termodynamické principy

Studium energetických přeměn v termodynamice je založeno na čtyřech zákonech. První a druhý zákon se zabývají kvalitou a množstvím energie a třetí a čtvrtý zákon se zabývají termodynamickými vlastnostmi (teplotou a entropií). Viz obrázky 6 a 7.

První termodynamický zákon:

První zákon stanoví princip zachování energie. Energie může být přenášena z jednoho tělesa na druhé nebo přeměňována na jinou formu energie, ale vždy se zachovává, takže celkové množství energie zůstává vždy konstantní.

Bruslařská rampa je dobrým příkladem zákona zachování energie, který říká, že energie se ani nevytváří, ani nezaniká, ale spíše se transformuje na jiný druh energie. Pro bruslaře, jako je ten na obrázku 8, kde je gravitace jedinou silou působící na bruslaře, musíme:

• Pozice 1: Když je bruslař na vrcholu rampy, má vnitřní energii a potenciální energii díky výšce, ve které se nachází, ale jeho kinetická energie je nulová, protože se nepohybuje (rychlost = 0 m/s).
• Pozice 2:Jak bruslař začíná sjíždět po rampě, výška se snižuje, čímž se snižuje jeho vnitřní energie a potenciální energie, ale s rostoucí rychlostí se zvyšuje jeho kinetická energie. Energie se přeměňuje na kinetickou energii. Když bruslař dosáhne nejnižšího bodu rampy (pozice 2), jeho potenciální energie je nulová (výška = 0 m), zatímco při sjíždění po rampě dosahuje maximální rychlosti.
• Pozice 3: Jak rampa stoupá, bruslař ztrácí rychlost, čímž se snižuje jeho kinetická energie, ale vnitřní energie a potenciální energie se s rostoucí výškou zvyšují.

Druhý termodynamický zákon:

Druhý zákon se zabývá „kvalitou“ energie při optimalizaci přeměny a/nebo přenosu energie. Tento zákon říká, že v reálných procesech má kvalita energie tendenci klesat. Je zavedena definice termodynamické vlastnosti „entropie“. Ustanovení druhého zákona určují, kdy proces může probíhat a kdy nemůže, i když je i nadále dodržován první zákon. Viz obrázek 9.

Nultý zákon:

Nultý zákon říká, že pokud jsou dva systémy v rovnováze s třetím, jsou v rovnováze i navzájem. Například na obrázku 10, pokud je A v tepelné rovnováze s C a C je v tepelné rovnováze s B, pak je A v tepelné rovnováze s B.

Další koncepty termodynamiky

systém

Část vesmíru, která je zajímavá nebo je zajímavá. Pro šálek kávy na obrázku 11 je „systém“ obsah šálku (káva), kde lze studovat přenos tepelné energie. Viz obrázek 12.[4]

Prostředí

Toto je zbytek vesmíru, vnější vůči studovanému systému. Na obrázku 12 je šálek kávy považován za „hranici“, která kávu (systém) obsahuje, a to, co je vně šálku (hranice), je „prostředí“ systému.

Termodynamická rovnováha

Stav, ve kterém jsou vlastnosti systému dobře definované a v čase se nemění. Když je systém v tepelné rovnováze, mechanické rovnováze a chemické rovnováze, nachází se v „termodynamické rovnováze“. V rovnováze nemůže systém změnit svůj stav, pokud na něj nepůsobí vnější činitel. Viz obrázek 13.

Zkráceno

Entita, která umožňuje nebo brání interakci mezi systémy. Pokud stěna propouští látku, říká se, že je propustná. Adiabatická stěna je stěna, která nepropouští teplo mezi dvěma systémy. Pokud stěna propouští teplo, nazývá se diatermická stěna. Viz obrázek 14.

Závěry

Energie je schopnost pohybovat hmotou. Lze ji změnit změnou její situace nebo skupenství.

Termodynamika je věda, která studuje výměnu a přeměny energie v procesech. Studium přeměn energie v termodynamice je založeno na čtyřech zákonech. První a druhý zákon se vztahují k kvalitě a množství energie a třetí a čtvrtý zákon se vztahují k termodynamickým vlastnostem (teplota a entropie).

Teplota je mírou stupně excitace molekul, které tvoří těleso, a teplo je přenos tepelné energie mezi dvěma tělesy o různých teplotách.

Termodynamická rovnováha existuje, když je systém současně v tepelné rovnováze, mechanické rovnováze a chemické rovnováze.

Děkovný vzkaz: Při tvorbě tohoto článku jsme měli tu čest získat rady od Inženýrka Marisol Pino, specialistka na průmyslovou instrumentaci.