Termodynamika: Základní definice a zákony

Termodynamika je obor fyziky, který se zabývá vztahy mezi teplem a jinými formami energie. Konkrétně popisuje, jak se tepelná energie přeměňuje na jiné formy energie a jak tepelná energie ovlivňuje hmotu. Podívejme se blíže na to, na jakých zákonech je termodynamika založena.

Kristina Lyubová
Diskutujte o tématu

Teplo

Termodynamika se zabývá několika vlastnostmi hmoty; Tím hlavním je teplo. Podle Georgia State University je teplo energie přenášená mezi látkami nebo systémy v důsledku teplotních rozdílů mezi nimi. Jako forma energie se teplo zachovává – nelze jej vytvořit ani zničit. Může se však přenášet z jednoho těla do druhého. Teplo lze také přeměnit na jiné formy energie.

INZERCE – POKRAČOVÁNÍ NÍŽE

teplota

Podle Georgia State University závisí množství tepla přenášeného látkou na rychlosti a počtu atomů nebo molekul této látky v pohybu.

Čím rychleji se atomy nebo molekuly pohybují, tím vyšší je teplota a čím více atomů nebo molekul je v pohybu, tím větší množství tepla předávají.

Teplota je míra průměrné kinetické energie částic ve vzorku látky, vyjádřená v jednotkách nebo stupních, indikovaná na standardní stupnici. Nejčastěji používaná teplotní stupnice je Celsia, která je založena na bodech tuhnutí a varu vody s odpovídajícími hodnotami 0 C a 100 C. Fahrenheitova stupnice je také založena na bodech tuhnutí a varu vody, které jsou přiřazené hodnoty 32 stupňů F a 212 F.

INZERCE – POKRAČOVÁNÍ NÍŽE

Vědci po celém světě však používají Kelvinovu stupnici pojmenovanou po Williamu Thomsonovi, protože je založena spíše na celkové tepelné energii než na bodech tuhnutí a varu vody. Tato stupnice používá stejné přírůstky jako stupnice Celsia; např. změna teploty o 1 C se rovná 1 K. Kelvinova stupnice však začíná absolutní nulou, teplotou, při které je úplná absence tepelné energie a veškerý molekulární pohyb ustává. Teplota 0 K se rovná minus 459,67 F nebo minus 273,15 C.

INZERCE – POKRAČOVÁNÍ NÍŽE

INZERCE – POKRAČOVÁNÍ NÍŽE

Přenos tepla

Teplo se může přenášet z jednoho tělesa do druhého nebo mezi tělesem a prostředím různými způsoby: vedením, prouděním.

Vedení je přenos energie pevným materiálem. K vodivosti mezi tělesy dochází, když jsou v přímém kontaktu a molekuly přenášejí svou energii přes rozhraní.

Konvekce je přenos tepla do tekutiny nebo z tekutiny. Molekuly v plynu nebo kapalině, které jsou v kontaktu s pevnou látkou, přenášejí nebo absorbují teplo do nebo z tohoto tělesa a pak se vzdalují, což umožňuje ostatním molekulám v kapalině přesunout se na místo a opakovat proces.

INZERCE – POKRAČOVÁNÍ NÍŽE

Entropie

Všechny termodynamické systémy vytvářejí odpadní teplo. Toto plýtvání vede ke zvýšení entropie, což je míra neuspořádanosti systému. Protože práce pochází z uspořádaného molekulárního pohybu, entropie je mírou energie, která není k dispozici pro vykonání práce. Entropie v jakémkoli uzavřeném systému vždy roste; nikdy neklesá. Pohyblivé části navíc produkují odpadní teplo v důsledku tření a sálavé teplo nevyhnutelně proudí ven ze systému.

INZERCE – POKRAČOVÁNÍ NÍŽE

To znemožňuje takzvané perpetum mobile stroje. Syabal Mitra, profesor fyziky na University of Missouri, řekl: „Nelze postavit motor, který je 100% účinný, což znamená, že nemůžete postavit stroj s věčným pohybem. Existuje však mnoho lidí, kteří tomu stále nevěří, a také těch, kteří se stále snaží sestrojit perpetum mobile.“

INZERCE – POKRAČOVÁNÍ NÍŽE

Entropie je také definována jako „míra neuspořádanosti nebo náhodnosti v uzavřeném systému“, která také neúprosně roste. Můžete míchat horkou a studenou vodu, ale protože velký šálek teplé vody je neuspořádanější než dva malé šálky obsahující horkou a studenou vodu, nikdy ji nemůžete rozdělit zpět na horkou a studenou, aniž byste do systému přidali energii. Jinými slovy, nemůžete rozbít vejce nebo odstranit smetanu z kávy.

Čtyři zákony termodynamiky

Základní principy termodynamiky byly původně vyjádřeny ve třech zákonech. Vědci později zjistili, že byl zanedbán zásadnější zákon, zřejmě proto, že se zdál tak samozřejmý, že nebylo třeba ho výslovně uvádět. Aby se vytvořil úplný soubor pravidel, vědci se rozhodli, že tento nejzákladnější zákon musí být zahrnut. Problém byl však v tom, že první tři zákony již byly zavedeny a byly dobře známé podle přidělených čísel. Tváří v tvář perspektivě přečíslování stávajících zákonů, což by způsobilo značný zmatek, nebo umístění prominentního zákona na konec seznamu, což by nedávalo logický smysl, navrhl britský fyzik Ralph H. Fowler alternativu, která dilema vyřešila: nový zákon „Zero Law“ podle Saint Anselm College. Všechny čtyři zákony jsou shrnuty níže:

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