Τι είναι μια θερμοδυναμική διαδικασία; Φυσική FAQ

Ένα σύστημα υποβάλλεται σε μια θερμοδυναμική διαδικασία όταν υπάρχει κάποιο είδος ενεργειακής αλλαγής στο σύστημα, που γενικά σχετίζεται με αλλαγές στην πίεση, τον όγκο, εσωτερική ενέργεια, τη θερμοκρασία ή οποιοδήποτε είδος μεταφορά θερμότητας.

Υπάρχουν αρκετοί ειδικοί τύποι θερμοδυναμικών διεργασιών που συμβαίνουν αρκετά συχνά (και σε πρακτικές καταστάσεις) που συνήθως αντιμετωπίζονται στη μελέτη της θερμοδυναμικής. Κάθε ένα έχει ένα μοναδικό χαρακτηριστικό που τον προσδιορίζει και το οποίο είναι χρήσιμο στην ανάλυση των ενεργειακών και εργασιακών αλλαγών που σχετίζονται με τη διαδικασία.

• Αδιαβατική διαδικασία - μια διαδικασία χωρίς μεταφορά θερμότητας μέσα ή έξω από το σύστημα.
• Ισοκορική διαδικασία - μια διαδικασία χωρίς μεταβολή στον όγκο, οπότε το σύστημα δεν λειτουργεί.
• Ισοβαρική διαδικασία - μια διαδικασία χωρίς μεταβολή της πίεσης.
• Ισοθερμική διαδικασία - μια διαδικασία χωρίς μεταβολή της θερμοκρασίας.

Είναι πιθανό να υπάρχουν πολλαπλές διεργασίες μέσα σε μια ενιαία διαδικασία. Το πιο εμφανές παράδειγμα θα ήταν μια περίπτωση όπου η αλλαγή όγκου και πίεσης, με αποτέλεσμα να μην μεταβληθεί η θερμοκρασία ή η μεταφορά θερμότητας - μια τέτοια διαδικασία θα ήταν τόσο αδιαβατική όσο και ισόθερμη.

Από μαθηματικούς όρους, το πρώτο νόμο της θερμοδυναμικής μπορεί να γραφτεί ως:

δέλτα- U = Q - W ή Q = δέλτα- U + W
που

• δέλτα-U = αλλαγή του συστήματος στην εσωτερική ενέργεια
• Q = θερμότητα που μεταφέρεται μέσα ή έξω από το σύστημα.
• W = εργασία που εκτελείται από ή επάνω στο σύστημα.

Όταν αναλύουμε μία από τις ειδικές θερμοδυναμικές διεργασίες που περιγράψαμε παραπάνω, συχνά (αν όχι πάντα) βρίσκουμε ένα πολύ τυχερό αποτέλεσμα - μία από αυτές τις ποσότητες μειώνεται στο μηδέν!

Για παράδειγμα, σε μια αδιαβατική διαδικασία δεν υπάρχει μεταφορά θερμότητας, έτσι Q = 0, με αποτέλεσμα μια πολύ απλή σχέση μεταξύ της εσωτερικής ενέργειας και της εργασίας: δέλτα-Q = -W. Δείτε τους μεμονωμένους ορισμούς αυτών των διαδικασιών για πιο συγκεκριμένες λεπτομέρειες σχετικά με τις μοναδικές ιδιότητές τους.

Οι περισσότερες θερμοδυναμικές διεργασίες προχωρούν φυσικά από τη μια κατεύθυνση στην άλλη. Με άλλα λόγια, έχουν μια προτιμώμενη κατεύθυνση.

Η θερμότητα ρέει από ένα θερμότερο αντικείμενο σε ένα ψυχρότερο. Τα αέρια επεκτείνονται για να γεμίσουν ένα δωμάτιο, αλλά δεν συμφωνούν αυθόρμητα να γεμίσουν ένα μικρότερο χώρο. Η μηχανική ενέργεια μπορεί να μετατραπεί τελείως σε θερμότητα, αλλά είναι σχεδόν αδύνατο να μετατραπεί η θερμότητα εντελώς σε μηχανική ενέργεια.

Ωστόσο, ορισμένα συστήματα περνούν από μια αναστρέψιμη διαδικασία. Γενικά, αυτό συμβαίνει όταν το σύστημα βρίσκεται πάντα κοντά στην θερμική ισορροπία, τόσο μέσα στο ίδιο το σύστημα όσο και σε οποιοδήποτε περιβάλλον. Σε αυτή την περίπτωση, οι απεριόριστες αλλαγές στις συνθήκες του συστήματος μπορούν να προκαλέσουν την διαδικασία προς την άλλη κατεύθυνση. Ως εκ τούτου, μια αναστρέψιμη διαδικασία είναι επίσης γνωστή ως μια ισορροπίας.

Παράδειγμα 1: Δύο μέταλλα (Α & Β) βρίσκονται σε θερμική επαφή και θερμική ισορροπία. Το μέταλλο Α θερμαίνεται σε μια απειροελάχιστη ποσότητα, έτσι ώστε η θερμότητα να ρέει από αυτό σε μέταλλο Β. Αυτή η διαδικασία μπορεί να αντιστραφεί με ψύξη Α μια απειροελάχιστη ποσότητα, στο οποίο σημείο η θερμότητα θα αρχίσει να ρέει από Β σε Α μέχρις ότου ξαναβρεθούν σε θερμική ισορροπία.

Παράδειγμα 2: Ένα αέριο επεκτείνεται αργά και αδιαβατικά σε μια αναστρέψιμη διαδικασία. Με την αύξηση της πίεσης από μια απειροελάχιστη ποσότητα, το ίδιο αέριο μπορεί να συμπιεστεί αργά και αδιαβατικά πίσω στην αρχική κατάσταση.

Πρέπει να σημειωθεί ότι αυτά είναι κάπως εξιδανικευμένα παραδείγματα. Για πρακτικούς λόγους, ένα σύστημα που βρίσκεται σε θερμική ισορροπία παύει να βρίσκεται σε θερμική ισορροπία μόλις εισαχθεί μία από αυτές τις αλλαγές... έτσι η διαδικασία δεν είναι στην πραγματικότητα πλήρως αναστρέψιμη. Είναι ένα εξιδανικευμένο μοντέλο για το πώς θα συμβεί μια τέτοια κατάσταση, αν και με προσεκτικό έλεγχο των πειραματικών συνθηκών μπορεί να γίνει μια διαδικασία που είναι πολύ κοντά στην πλήρη αναστρέψιμη.

Οι περισσότερες διαδικασίες, βέβαια, είναι μη αναστρέψιμες διαδικασίες (ή διαδικασίες μη ισορροπίας). Χρησιμοποιώντας την τριβή των φρένων σας, η εργασία στο αυτοκίνητό σας είναι μια μη αναστρέψιμη διαδικασία. Αφήνοντας αέρα από μια απελευθέρωση μπαλονιού στο δωμάτιο είναι μια μη αναστρέψιμη διαδικασία. Η τοποθέτηση ενός μπλοκ πάγου πάνω σε ένα διάδρομο ζεστού τσιμέντου είναι μια μη αναστρέψιμη διαδικασία.

Συνολικά, αυτές οι μη αναστρέψιμες διαδικασίες είναι συνέπεια του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής, ο οποίος συχνά ορίζεται από την άποψη της η εντροπία, ή διαταραχή, ενός συστήματος.

Υπάρχουν διάφοροι τρόποι για τη φράση του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής, αλλά βασικά θέτει ένα περιορισμό στο πόσο αποτελεσματική μπορεί να είναι οποιαδήποτε μεταφορά θερμότητας. Σύμφωνα με τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής, κάποια θερμότητα θα χαθεί πάντα στη διαδικασία, γι 'αυτό δεν είναι δυνατόν να έχουμε μια εντελώς αναστρέψιμη διαδικασία στον πραγματικό κόσμο.

Καλούμε οποιαδήποτε συσκευή που μετατρέπει τη θερμότητα εν μέρει σε εργασία ή μηχανική ενέργεια α κινητήρα θερμότητας. Μια μηχανή θερμότητας το κάνει αυτό μεταφέροντας τη θερμότητα από το ένα μέρος στο άλλο, κάνοντας κάποια εργασία στο δρόμο.

Χρησιμοποιώντας τη θερμοδυναμική, είναι δυνατόν να αναλυθεί το θερμική απόδοση μιας θερμικής μηχανής, και αυτό είναι ένα θέμα που καλύπτεται στα περισσότερα εισαγωγικά μαθήματα φυσικής. Εδώ είναι μερικές θερμικές μηχανές που αναλύονται συχνά στα μαθήματα φυσικής:

• Μηχανή εσωτερικής καύσης - Κινητήρας με καύσιμο κινητήρα όπως αυτοί που χρησιμοποιούνται στα αυτοκίνητα. Ο "κύκλος Otto" ορίζει τη θερμοδυναμική διαδικασία ενός κανονικού κινητήρα βενζίνης. Ο "κύκλος πετρελαίου ντίζελ" αναφέρεται σε κινητήρες Diesel.
• Ψυγείο - Μια θερμική μηχανή με αντίστροφη κίνηση, το ψυγείο παίρνει θερμότητα από ένα ψυχρό μέρος (μέσα στο ψυγείο) και μεταφέρει το σε ζεστό μέρος (έξω από το ψυγείο).
• Αντλία θερμότητας - Μια αντλία θερμότητας είναι ένας τύπος μηχανής θερμότητας, παρόμοιο με ένα ψυγείο, το οποίο χρησιμοποιείται για τη θέρμανση κτιρίων με ψύξη του εξωτερικού αέρα.

Το 1924, ο γάλλος μηχανικός Sadi Carnot δημιούργησε έναν εξιδανικευμένο, υποθετικό κινητήρα ο οποίος είχε τη μέγιστη δυνατή απόδοση σύμφωνα με τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής. Έφτασε στην ακόλουθη εξίσωση για την αποτελεσματικότητά του, μι_Carnot:

μι_Carnot = ( Τ_H - Τ_ντο) / Τ_H

Τ_H και Τ_ντο είναι οι θερμοκρασίες των θερμών και κρύων δεξαμενών, αντίστοιχα. Με πολύ μεγάλη διαφορά θερμοκρασίας, έχετε υψηλή απόδοση. Μια χαμηλή απόδοση έρχεται αν η διαφορά θερμοκρασίας είναι χαμηλή. Αποκτάτε μόνο απόδοση 1 (100% απόδοση) αν Τ_ντο = 0 (δηλ. απόλυτη τιμή) που είναι αδύνατο.