Що таке термодинаміка

Термодинаміка - наука, яка вивчає теплові явища, що відбуваються в тілах, не зв'язуючи їх з молекулярною будовою речовини.

У термодинаміки вважається, що всі теплові процеси в тілах характеризуються лише макроскопічними параметрами - тиском, об'ємом і температурою. А так як їх неможливо застосувати до окремо взятих молекулам або атомам, то, на відміну від молекулярно-кінетичної теорії, в термодинаміці молекулярну будову речовини в теплових процесах не враховується.

Всі поняття термодинаміки сформульовані як узагальнення фактів, що спостерігаються в ході експериментів. Через це її називають феноменологічної (описової) теорією тепла.

термодинамічні системи

Термодинаміка описує теплові процеси, що відбуваються в макроскопічних системах. Такі системи складаються з величезної кількості частинок - молекул і атомів, і називаються термодинамічними.

Термодинамічної системою можна вважати будь-який об'єкт, який можна побачити неозброєним оком або за допомогою мікроскопів, телескопів та інших оптичних приладів. Головне, щоб розміри системи в просторі і час її існування дозволяли провести вимірювання її параметрів - температури, тиску, маси, хімічного складу елементів і ін. За допомогою приладів, які не реагують на вплив окремих молекул (манометрів, термометрів тощо.).

Для хіміків термодінаміческкой системою є суміш хімічних речовин, що взаємодіють між собою в процесі хімічної реакції. Астрофізики назвуть такою системою небесне тіло. Суміш пального з повітрям в автомобільному двигуні, земну кулю, наше тіло, друкарська ручка, зошит, верстат і ін. - це також термодинамічні системи.

Кожна термодинамічна система відокремлена від навколишнього середовища межами. Вони можуть бути реальними - скляні стінки пробірки з хімічною речовиною, корпус циліндра в двигуні і т.п. А можуть бути і умовними, коли, наприклад, вивчають утворення хмари в атмосфері.

Якщо така система не обмінюється з зовнішнім середовищем ні енергією, ні речовиною, то її називають ізольованою або замкнутою.

Якщо ж система обмінюється з зовнішнім середовищем енергією, але не обмінюється речовиною, то вона називається закритою.

Відкрита система обмінюється з зовнішнім середовищем і енергією, і речовиною.

термодинамічна рівновага

Це поняття також введено в термодинаміку, як узагальнення результатів експериментів.

Термодинамічних рівновагою називають такий стан системи, при якому всі її макроскопічні величини - температура, тиск, об'єм і ентропія - не змінюються в часі, якщо система є ізольованою. В такий стан може мимовільно перейти будь-яка замкнута термодинамічна система, якщо залишаються незмінними все зовнішні параметри.

Найпростіший приклад системи в стані термодинамічної рівноваги - термос з гарячим чаєм. Температура в ньому однакова в будь-якій точці рідини. Хоча термос можна назвати ізольованою системою лише приблизно.

Будь-яка замкнута термодинамічна система мимовільно прагне перейти в термодинамічна рівновага, якщо не змінюються зовнішні параметри.

термодинамічний процес

Якщо змінюється хоча б один з макроскопічних параметрів, то кажуть, що в системі відбувається термодинамічний процес. Такий процес може виникнути, якщо змінюються зовнішні параметри або система починає отримувати або передавати енергію. В результаті вона переходить в інший стан.

Згадаймо приклад з чаєм в термосі. Якщо ми опустимо в чай шматочок льоду і закриємо термос, то відразу ж з'явиться різниця в температурах в різних частинах рідини. Рідина в термосі буде прагнути до вирівнювання температур. З областей з більш високою температурою тепло буде передаватися туди, де температура нижче. Тобто, буде відбуватися термодинамічний процес. Зрештою, температура чаю в термосі знову стане однаковою. Але вона вже буде відрізнятися від початкової температури. Стан системи змінилося, так як змінилася її температура.

Термодинамічний процес відбувається, коли вночі остигає пісок, нагрітий на пляжі в спекотний день. До ранку його температура знижується. Але як тільки зійде сонце, процес нагрівання почнеться знову.

Внутрішня енергія

Одне з головних понять термодинаміки - внутрішня енергія.

Всі макроскопічні тіла мають внутрішньою енергією, яка є сумою кінетичних і потенціальних енергій всіх частинок (атомів і молекул), з яких складається тіло. Ці частинки взаємодіють тільки між собою і не взаємодіють з частинками навколишнього середовища. Внутрішня енергія залежить від кінетичної і потенційної енергії частинок і не залежить від положення самого тіла.

Внутрішня енергія змінюється зі зміною температури. Молекулярно-кінетична теорія пояснює це зміною швидкості руху частинок речовини. Якщо температура тіла зростає, то зростає і швидкість руху частинок, відстань між ними стає більше. Отже, збільшується їх кінетична і потенційна енергія. При зниженні температури відбувається зворотний процес.

Для термодинаміки важливіше не величина внутрішньої енергії, а її зміна. А змінити внутрішню енергію можна за допомогою процесу теплопередачі або здійснюючи механічну роботу.

Зміна внутрішньої енергії механічної роботою

Внутрішню енергію тіла можна змінити, зробивши над нею механічну роботу. Якщо робота виконується над тілом, то механічна енергія перетворюється у внутрішню енергію. А якщо роботу виконує тіло, то його внутрішня енергія перетворюється в механічну.

Майже до кінця XIX століття вважалося, що існує невагоме речовина - теплород, яке передає тепло від тіла до тіла. Чим більше теплорода втікає в тіло, тим тепліше воно буде, і навпаки.

Однак в 1798 р англо-американський вчений граф Бенджамін Румфорд став сумніватися в теорії теплорода. Причиною тому були нагрівання стовбурів гармат під час свердління. Він припустив, що причиною нагрівання є механічна робота, яка відбувається під час тертя свердла об стовбур.

І Румфорд провів експеримент. Щоб збільшити силу тертя, взяли тупе свердло, а сам стовбур помістили в бочку з водою. До кінця третьої години свердління вода в бочці закипіла. Це означало, що ствол отримав тепло при здійсненні механічної роботи над ним.

теплопередача

Теплопередачей називають фізичний процес передачі теплової енергії (теплоти) від одного тіла до іншого або при безпосередньому контакті, або через розділяє перегородку. Як правило, теплота передається від більш теплого тіла до більш холодного. Це процес закінчується, коли система приходить в стан термодинамічної рівноваги.

Енергія, яку отримує або віддає тіло при теплопередачі, називаетсяколічеством теплоти.

За способом передачі теплоти теплообмін можна розділити на 3 види: теплопровідність, конвенція, теплове випромінювання.

теплопровідність

Якщо між тілами або частинами тіл існує температурна різниця, то між ними буде відбуватися процес теплопередачі. Теплопровідністю називають процес перенесення внутрішньої енергії від більш нагрітого тіла (або його частини) до менш нагрітого тіла (або його частини).

Наприклад, нагрівання на вогні один кінець сталевого прута, через деякий час ми відчуємо, що й інший його кінець також стає теплим.

Скляну паличку, один кінець якої розжарений, ми легко тримаємо за інший кінець, що не обпалюючись. Але якщо ми спробуємо зробити такий самий експеримент із залізним прутом, у нас нічого не вийде.

Різні речовини по-різному проводять тепло. Кожне з них має свій коефіцієнт теплопровідності. або питомої провідності. чисельно дорівнює кількості теплоти, яка проходить через зразок товщиною 1 м, площею 1 м 2 за 1 секунду. За одиницю температури приймають 1 К.

Найкраще проводять тепло метали. Це їх властивість ми використовуємо в побуті, готуючи їжу в металевих каструлях або на сковорідках. А ось їх ручки не повинні нагріватися. Тому їх роблять з матеріалів з поганою теплопровідністю.

Теплопровідність рідин менше. А гази мають слабку теплопровідність.

Хутро тварин також погано проводить тепло. Завдяки цьому вони не перегріваються в жарку погоду і не замерзають в холодну.

При конвенції теплота передається струменями і потоками газу або рідини. У твердих тілах конвенції немає.

Як виникає конвенція в рідини? Коли ми ставимо на вогонь чайник з водою, нижній шар рідини нагрівається, його щільність зменшується, він рухається вгору. Його місце займає більш холодний шар води. Через якийсь час він теж нагріється і теж поміняється місцями з більш холодним шаром. І т.д.

Подібний процес відбувається і в газах. Не випадково батареї опалення розміщують в нижній частині кімнати. Адже нагріте повітря завжди піднімається у верхню частину кімнати. А нижній, холодний, навпаки, опускається. Потім він нагрівається також і знову піднімається, а верхній шар за цей час остигає і опускається.

Конвенція буває природна і примусова.

Природна конвенція постійно відбувається в атмосфері. В результаті цього відбуваються постійні переміщення теплих повітряних мас вгору, а холодних - вниз. В результаті виникає вітер, хмари і інші природні явища.

Коли природної конвенції недостатньо, застосовую примусову конвенцію. Наприклад, потоки теплого повітря переміщують в кімнаті за допомогою лопатей вентилятора.

теплове випромінювання

Сонце нагріває Землю. При цьому не відбувається ні теплопередачі, ні конвенції. Так чому ж тіла отримують тепло?

Справа в тому, що Сонце є джерелом теплового випромінювання.

Теплове випромінювання - це електромагнітне випромінювання, що виникає за рахунок внутрішньої енергії тіла. Всі навколишні нас тіла випромінюють теплову енергію. Це може бути видиме світлове випромінювання настільної лампи, або джерела невидимих ультрафіолетових, інфрачервоних або гамма-променів.

Але тіла не тільки випромінюють тепло. Вони його також і поглинають. Одні більшою мірою, інші в меншій. Причому темні тіла і нагріваються, і охолоджуються швидше, ніж світлі. У спекотну погоду ми намагаємося надіти світлий одяг, тому що вона поглинає менше тепла, ніж одяг темних тонів. Автомобіль темного кольору нагрівається на сонці набагато швидше, ніж стоїть з ним поруч автомобіль, який має світле забарвлення.

Це властивість речовин по-різному поглинати і випромінювати тепло використовується при створенні систем нічного бачення, систем самонаведення ракет на ціль і ін.