Mi a termodinamika:
A termodinamika a fizika azon ága, amely a hő, az alkalmazott erő (más néven munka) és az energiaátadás kapcsolatát tanulmányozza.
A termodinamika szó a görög gyökerekből származik θερμο- (termo-ami „hőt” jelent, és δυναμικός (dinamók), ami viszont abból ered δύναμις (dýnamis), ami „erőt” vagy „hatalmat” jelent.
A termodinamikai folyamatokat három alapvető törvény határozza meg.
- Az első törvény lehetővé teszi számunkra, hogy megértsük az energia megtakarítását.
- A második törvény az energiaátadás bekövetkezéséhez szükséges feltételek megismerésére szolgál.
- A harmadik törvény a rendszerek egyensúlyi viselkedésének megismerését szolgálja.
A termodinamikai folyamatok megértése fontos olyan területeken, mint az ipari mérnöki munka, ahol nagy mennyiségű energiát kell felhasználni több gép futtatásához.
A termodinamika törvényei lehetővé teszik számunkra a rendszerek működésének megértését olyan területeken is, mint a biokémia, a kozmológia és a genetika.
A termodinamika törvényei
A termodinamikában három törvény ismerteti a hő és az energia működését és továbbítását. Az alábbiakban részletesen elmagyarázzuk őket.
A termodinamika első törvénye
Az első törvény az energia megőrzésével foglalkozik: az energia nem jön létre és nem semmisül meg, csak átalakul. Például:
- A napenergia elektromos energiává alakul át egy töltőállomás számára.
- Ezt az elektromos energiát fel lehet használni az elektromos autó akkumulátorának feltöltésére.
- Az elektromos autó képes a felhalmozott energiát elmozdulttá alakítani.
Az energia tehát mindig mozgásban van.
Az egyszerűsített képlet a következő lenne:
A termodinamika második törvénye
A termodinamika második törvénye két dolgot határoz meg:
- Az energiaátadás iránya.
- A folyamat megfordításához szükséges feltételek.
Innen megtudhatjuk, hogy vannak visszafordítható és visszafordíthatatlan folyamatok.
Például az étkezési só spontán keveredik a vízzel az úgynevezett hígítási folyamat révén. Ez a folyamat hőt bocsát ki.
Ennek a folyamatnak a megfordítása és a sókristályok újrateremtése érdekében hőt kell alkalmazni, amely lehetővé teszi a víz elpárolgását és a sótól való elválasztását. A rendszer elnyeli a hőt.
Az egyszerűsített képlet a következő lenne:
A termodinamika harmadik törvénye
A termodinamika harmadik törvénye egyesíti a két korábbi törvényt, és azokat az abszolút egyensúlyban lévő rendszerekre alkalmazza. Ebben az állapotban van egy minimális energiacsere és egy maximális rendellenesség (vagy entrópia).
A harmadik törvényt a zárt rendszerekre alkalmazzák. Az ilyen típusú rendszereket csak az elméleti fizika és a kémia látja.
Az egyszerűsített képlet a következő lenne:
Rendszertípusok a termodinamikában
A termodinamika törvényeinek megértéséhez először is fontos megismerni a létező rendszerek típusait és azok viselkedését.
Körülöttünk minden rendszerből áll, és az általunk ismert rendszerek többsége energiát cserél. A rendszereket három típusba sorolják: nyitott, zárt és elszigetelt.
- Nyitott rendszerek: energiát és anyagot cserélnek a külsővel (például máglyával).
- Zárt rendszerek: csak külsővel cserélnek energiát (például mobiltelefonnal).
- Elszigetelt rendszerek: Nem cserélnek anyagot vagy energiát (csak elméleti jellegűek).
Míg a termodinamika első és második törvénye a nyitott és a zárt rendszerekre vonatkozik, a harmadik törvény az izolált rendszerekre vonatkozik.
A rendszer állapota
Két alapvető állapot létezik, amelyben a rendszerek (típusuktól függetlenül) megtalálhatók.
- Aktív rendszerek: ha energiacsere van, akkor azt mondják, hogy a rendszer aktív.
- Nyugalmi vagy egyensúlyi rendszerek: ha nincs energiacsere, akkor a rendszert nyugalmi állapotban vagy egyensúlyban lévőnek kell tekinteni.
Hő- és hőátadás a termodinamikában
A fizika szerint a hő az az energiaáram, amely akkor áll fenn, amikor két különböző hőmérsékletű rendszer érintkezik. A hőegyensúly akkor érhető el, amikor az összes érintett rendszer eléri ugyanazt a hőmérsékletet.
A termodinamikai rendszerekben, ha kettőjük egyensúlyban van egy harmadik rendszerrel, akkor egyensúlyban vannak egymással is. Ezért az egyensúly elérésekor a hőmérséklet állandó.
