Թերմոդինամիկան ֆիզիկայի կարևոր ճյուղ է։ Կարող ենք վստահորեն ասել, որ նրա ձեռքբերումները հանգեցրել են տեխնոլոգիական դարաշրջանի առաջացմանը և մեծապես որոշել են մարդկության պատմության ընթացքը վերջին 300 տարիների ընթացքում: Հոդվածում քննարկվում են թերմոդինամիկայի առաջին, երկրորդ և երրորդ օրենքները և դրանց կիրառումը գործնականում։
Ի՞նչ է թերմոդինամիկան:
Թերմոդինամիկայի օրենքները ձևակերպելուց առաջ եկեք պարզենք, թե ինչ է անում ֆիզիկայի այս բաժինը:
«Թերմոդինամիկա» բառը հունական ծագում ունի և նշանակում է «շարժում ջերմության պատճառով»։ Այսինքն՝ ֆիզիկայի այս ճյուղը զբաղվում է ցանկացած գործընթացի ուսումնասիրությամբ, որի արդյունքում ջերմային էներգիան վերածվում է մեխանիկական շարժման և հակառակը։
Թերմոդինամիկայի հիմնական օրենքները ձևակերպվել են 19-րդ դարի կեսերին։ «Շարժման և ջերմության» գիտությունը դիտարկում է ամբողջ համակարգի վարքը որպես ամբողջություն՝ ուսումնասիրելով նրա մակրոսկոպիկ պարամետրերի փոփոխությունը՝ ջերմաստիճան, ճնշում և ծավալ, և ուշադրություն չդարձնելով դրա մանրադիտակային կառուցվածքին։ Ընդ որում, դրանցից առաջինը հիմնարար դեր է խաղում օրենքների ձևակերպման գործումթերմոդինամիկան ֆիզիկայում. Հետաքրքիր է նշել, որ դրանք ստացվել են բացառապես փորձարարական դիտարկումներից:
Ջերմոդինամիկական համակարգի հայեցակարգ
Նշանակում է ատոմների, մոլեկուլների կամ այլ տարրերի ցանկացած խումբ, որոնք համարվում են որպես ամբողջություն: Բոլոր երեք օրենքները ձևակերպված են այսպես կոչված թերմոդինամիկական համակարգի համար։ Օրինակներ են՝ Երկրի մթնոլորտը, ցանկացած կենդանի օրգանիզմ, ներքին այրման շարժիչի գազային խառնուրդը և այլն։
Թերմոդինամիկայի բոլոր համակարգերը պատկանում են երեք տեսակներից մեկին.
- Բաց. Նրանք թե՛ ջերմությունը, թե՛ նյութը փոխանակում են շրջակա միջավայրի հետ։ Օրինակ, եթե կերակուրը եփում են բաց կրակի վրա գտնվող կաթսայում, ապա սա բաց համակարգի վառ օրինակ է, քանի որ կաթսան էներգիա է ստանում արտաքին միջավայրից (կրակ), մինչդեռ ինքն իրեն էներգիա է ճառագայթում ջերմության տեսքով, և ջուրը նույնպես գոլորշիանում է դրանից (նյութափոխանակություն):
- Փակ. Նման համակարգերում նյութի փոխանակում չի կատարվում շրջակա միջավայրի հետ, թեև տեղի է ունենում էներգիայի փոխանակում։ Վերադառնալով նախորդ դեպքին՝ եթե թեյնիկը ծածկում եք կափարիչով, կարող եք ստանալ փակ համակարգ։
- Մեկուսացված. Սա մի տեսակ թերմոդինամիկ համակարգեր է, որոնք չեն փոխանակում նյութը կամ էներգիան շրջակա տարածության հետ: Օրինակ կարող է լինել տաք թեյ պարունակող թերմոսը:
Թերմոդինամիկական ջերմաստիճան
Այս հասկացությունը նշանակում է շրջակա մարմինները կազմող մասնիկների կինետիկ էներգիան, որն արտացոլում է արագությունըմասնիկների պատահական շարժում. Որքան մեծ է այն, այնքան բարձր է ջերմաստիճանը: Համապատասխանաբար, նվազեցնելով համակարգի կինետիկ էներգիան՝ մենք այն սառեցնում ենք։
Այս հասկացությունը նշանակում է շրջակա մարմինները կազմող մասնիկների կինետիկ էներգիան, որն արտացոլում է մասնիկների քաոսային շարժման արագությունը։ Որքան մեծ է այն, այնքան բարձր է ջերմաստիճանը: Համապատասխանաբար, նվազեցնելով համակարգի կինետիկ էներգիան՝ մենք այն սառեցնում ենք։
Ջերմոդինամիկ ջերմաստիճանը արտահայտվում է SI-ով (Միավորների միջազգային համակարգ) Քելվինում (ի պատիվ բրիտանացի գիտնական Ուիլյամ Քելվինի, ով առաջինն առաջարկեց այս սանդղակը): Թերմոդինամիկայի առաջին, երկրորդ և երրորդ օրենքները հասկանալն անհնար է առանց ջերմաստիճանի սահմանման։
Կելվինի սանդղակի մեկ աստիճանի բաժանումը նույնպես համապատասխանում է Ցելսիուսի մեկ աստիճանի։ Այս միավորների միջև փոխարկումն իրականացվում է ըստ բանաձևի՝ TK =TC + 273, 15, որտեղ TK և TC - ջերմաստիճանը համապատասխանաբար կելվիններով և Ցելսիուսի աստիճաններով:
Քելվինի սանդղակի առանձնահատկությունն այն է, որ այն չունի բացասական արժեքներ։ Նրանում զրո (TC=-273, 15 oC) համապատասխանում է այն վիճակին, երբ համակարգի մասնիկների ջերմային շարժումն իսպառ բացակայում է., նրանք կարծես «սառեցված» են։
Էներգիայի պահպանում և թերմոդինամիկայի 1-ին օրենքը
1824 թվականին Նիկոլա Լեոնարդ Սադի Կարնոն՝ ֆրանսիացի ինժեներ և ֆիզիկոս, համարձակ առաջարկ արեց, որը ոչ միայն հանգեցրեց ֆիզիկայի զարգացմանը, այլև դարձավ տեխնոլոգիայի կատարելագործման հիմնական քայլ: Նրանկարելի է ձևակերպել հետևյալ կերպ. «Էներգիան չի կարող ստեղծվել կամ ոչնչացվել, այն կարող է փոխանցվել միայն մի վիճակից մյուսը»:
Իրականում Սադի Կարնոյի արտահայտությունը պնդում է էներգիայի պահպանման օրենքը, որը հիմք է հանդիսացել թերմոդինամիկայի 1-ին օրենքին. որոնք ջերմային և մեխանիկական են։»
1-ին օրենքի մաթեմատիկական բանաձևը գրված է հետևյալ կերպ.
Q=ΔU + A, այստեղ Q-ը շրջակա միջավայրի կողմից համակարգ փոխանցվող ջերմության քանակն է, ΔU-ն այս համակարգի ներքին էներգիայի փոփոխությունն է, A-ն կատարյալ մեխանիկական աշխատանք է:
Ադիաբատիկ գործընթացներ
Դրանց լավ օրինակ է օդային զանգվածների տեղաշարժը լեռների լանջերով։ Նման զանգվածները հսկայական են (կիլոմետր կամ ավելի), իսկ օդը հիանալի ջերմամեկուսիչ է։ Նշված հատկությունները մեզ թույլ են տալիս կարճ ժամանակում տեղի ունեցող օդային զանգվածների հետ կապված ցանկացած գործընթաց դիտարկել որպես ադիաբատիկ: Երբ օդը բարձրանում է լեռան լանջով, նրա ճնշումը նվազում է, այն լայնանում է, այսինքն՝ կատարում է մեխանիկական աշխատանք և արդյունքում՝ սառչում։ Ընդհակառակը, օդային զանգվածի ներքև շարժումն ուղեկցվում է նրանում ճնշման բարձրացմամբ, այն սեղմվում է և դրա պատճառով շատ տաքանում։
Թերմոդինամիկայի օրենքի կիրառումը, որը քննարկվել է նախորդ ենթավերնագրում, ամենահեշտն է ցուցադրվում՝ օգտագործելով ադիաբատիկ գործընթացի օրինակը:
Համաձայն սահմանման՝ դրա հետևանքով էներգիայի փոխանակում չի կատարվում.միջավայր, այսինքն վերը նշված հավասարման մեջ Q=0: Սա հանգեցնում է հետևյալ արտահայտությանը. ΔU=-A: Այստեղ մինուս նշանը նշանակում է, որ համակարգը մեխանիկական աշխատանք է կատարում՝ նվազեցնելով սեփական ներքին էներգիան։ Հարկ է հիշել, որ ներքին էներգիան ուղղակիորեն կախված է համակարգի ջերմաստիճանից։
Ջերմային գործընթացների ուղղություն
Այս հարցը վերաբերում է թերմոդինամիկայի 2-րդ օրենքին։ Անշուշտ բոլորը նկատել են, որ եթե երկու տարբեր ջերմաստիճան ունեցող առարկաներ շփվի, ապա սառը միշտ տաքանալու է, իսկ տաքը կսառչի։ Նկատի ունեցեք, որ հակառակ գործընթացը կարող է տեղի ունենալ թերմոդինամիկայի առաջին օրենքի շրջանակներում, սակայն այն երբեք գործնականում չի իրականացվում։
Այս գործընթացի (և Տիեզերքի բոլոր հայտնի գործընթացների) անշրջելիության պատճառը համակարգի անցումն է ավելի հավանական վիճակի: Դիտարկված օրինակում երկու տարբեր ջերմաստիճանի մարմինների շփման հետ ամենահավանական վիճակը կլինի այն վիճակը, երբ համակարգի բոլոր մասնիկները կունենան նույն կինետիկ էներգիան։
Թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքը կարելի է ձևակերպել հետևյալ կերպ. «Ջերմությունը երբեք չի կարող ինքնաբերաբար փոխանցվել սառը մարմնից տաք մարմնին»: Եթե ներդնենք էնտրոպիա հասկացությունը որպես անկարգության չափիչ, ապա այն կարելի է ներկայացնել հետևյալ կերպ. «Ցանկացած թերմոդինամիկական գործընթաց ընթանում է էնտրոպիայի աճով»:
Ջերմային շարժիչ
Այս տերմինը հասկացվում է որպես համակարգ, որն իրեն արտաքին էներգիայի մատակարարման շնորհիվ կարող է կատարել մեխանիկական աշխատանք։ ԱռաջինՋերմային շարժիչները եղել են գոլորշու շարժիչներ և հայտնագործվել են 17-րդ դարի վերջին։
Թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքը որոշիչ դեր է խաղում դրանց արդյունավետությունը որոշելու հարցում։ Սադի Կարնոն նաև հաստատել է, որ այս սարքի առավելագույն արդյունավետությունը հետևյալն է. Արդյունավետություն=(T2 - T1)/T2, այստեղ T2 և T1-ը տաքացուցիչի և սառնարանի ջերմաստիճաններն են: Մեխանիկական աշխատանք կարելի է կատարել միայն այն դեպքում, երբ տաք մարմնից ջերմության հոսք կա դեպի սառը, և այդ հոսքը չի կարող 100%-ով վերածվել օգտակար էներգիայի։
Ստորև բերված նկարը ցույց է տալիս ջերմային շարժիչի աշխատանքի սկզբունքը (Qabs - ջերմություն փոխանցված մեքենային, Qced - ջերմության կորուստ, W՝ օգտակար աշխատանք, P և V՝ մխոցում գազի ճնշում և ծավալ):
Բացարձակ զրո և Ներնստի պոստուլատ
Վերջապես անցնենք թերմոդինամիկայի երրորդ օրենքի քննարկմանը։ Այն կոչվում է նաև Ներնստի պոստուլատ (գերմանացի ֆիզիկոսի անունը, որն առաջին անգամ ձևակերպել է այն 20-րդ դարի սկզբին)։ Օրենքն ասում է. «Բացարձակ զրոյին չի կարելի հասնել վերջավոր թվով գործընթացներով»: Այսինքն՝ որեւէ կերպ անհնար է ամբողջությամբ «սառեցնել» նյութի մոլեկուլներն ու ատոմները։ Դրա պատճառը շրջակա միջավայրի հետ գոյություն ունեցող մշտական ջերմափոխանակությունն է։
Թերմոդինամիկայի երրորդ օրենքից արված մի օգտակար եզրակացություն այն է, որ էնտրոպիան նվազում է, երբ մեկը շարժվում է դեպի բացարձակ զրո: Սա նշանակում է, որ համակարգը հակված է ինքնակազմակերպվելու։ Այս փաստը կարող էօգտագործել, օրինակ, պարամագնիսները սառչելիս ֆերոմագնիսական վիճակի տեղափոխելու համար:
Հետաքրքիր է նշել, որ մինչ այժմ ձեռք բերված ամենացածր ջերմաստիճանը 5·10−10 K (2003, MIT լաբորատորիա, ԱՄՆ):
