Sistema patiria termodinaminį procesą, kai sistemoje vyksta tam tikri energetiniai pokyčiai, paprastai susiję su slėgio, tūrio, vidinė energija, temperatūra ar bet kokia kita šilumos perdavimas.
Pagrindiniai termodinaminių procesų tipai
Yra keletas specifinių termodinaminių procesų tipų, kurie vyksta pakankamai dažnai (ir praktinėse situacijose), kad jie paprastai yra gydomi termodinamikos tyrimuose. Kiekvienas iš jų turi unikalų bruožą, kuris jį identifikuoja, ir kuris yra naudingas analizuojant su procesu susijusius energijos ir darbo pokyčius.
- Adiabatinis procesas - procesas be šilumos perdavimo į sistemą arba iš jos.
- Izochorinis procesas - procesas, kurio metu nekinta apimtis, tokiu atveju sistema neveikia.
- Izobarinis procesas - procesas, kurio metu nepasikeičia slėgis.
- Izoterminis procesas - procesas nekeičiant temperatūros.
Viename procese įmanoma turėti kelis procesus. Akivaizdžiausias pavyzdys būtų atvejis, kai pasikeičia tūris ir slėgis, dėl to nepakinta nei temperatūra, nei šilumos perdavimas - toks procesas būtų ir adiabatinis, ir izoterminis.
Pirmasis termodinamikos dėsnis
Matematiškai pirmasis termodinamikos dėsnis galima parašyti taip:
delta- U = Q - W arba Q = delta- U + W
kur
- delta-U = sistemos vidinės energijos pokytis
- Q = šiluma, perduodama į sistemą arba iš jos.
- W = sistemos ar jos atliekamas darbas.
Analizuodami vieną iš aukščiau aprašytų specialių termodinaminių procesų, dažnai (nors ir ne visada) pastebime labai pasisekusį rezultatą - vieną iš šių dydžių sumažėja iki nulio!
Pavyzdžiui, adiabatiniame procese nėra šilumos perdavimo, taigi Q = 0, todėl gaunamas labai aiškus vidinės energijos ir darbo santykis: delta-Q = -W. Norėdami gauti daugiau konkrečios informacijos apie jų unikalias savybes, žiūrėkite atskirus šių procesų apibrėžimus.
Grįžtamieji procesai
Daugelis termodinaminių procesų vyksta natūraliai iš vienos pusės į kitą. Kitaip tariant, jie turi pageidaujamą kryptį.
Šiluma teka iš šiltesnio objekto į šaltesnį. Dujos plečiasi užpildydamos kambarį, tačiau savaime nesitraukia užpildydamos mažesnę erdvę. Mechaninę energiją galima visiškai paversti šiluma, tačiau visiškai paversti šilumą mechanine energija yra praktiškai neįmanoma.
Tačiau kai kurios sistemos praeina grįžtamąjį procesą. Paprastai tai atsitinka, kai sistema visada yra arti šiluminės pusiausvyros tiek pačios sistemos viduje, tiek su bet kuria aplinka. Tokiu atveju dėl neribotų sistemos sąlygų pokyčių procesas gali vykti kitu keliu. Taigi grįžtamasis procesas taip pat žinomas kaip pusiausvyros procesas.
1 pavyzdys: Du metalai (A ir B) yra šiluminėje sąlytyje ir šiluminė pusiausvyra. Metalas A kaitinamas be galo mažai, kad šiluma iš jo tekėtų į metalą B. Šį procesą galima pakeisti atšaldant A neribotą kiekį, tada šiluma pradės tekėti iš B į A, kol jie vėl bus šiluminėje pusiausvyroje.
2 pavyzdys: Dujos plečiamos lėtai ir adiabatiškai, grįžtamojo proceso metu. Padidindami slėgį be galo mažu kiekiu, tos pačios dujos gali lėtai ir adiabatiškai suspausti į pradinę būseną.
Pažymėtina, kad tai yra šiek tiek idealizuoti pavyzdžiai. Praktiniais tikslais šiluminėje pusiausvyroje esanti sistema nustoja būti šiluminėje pusiausvyroje, kai tik įvedamas vienas iš šių pokyčių... taigi procesas iš tikrųjų nėra visiškai grįžtamas. Tai yra idealizuotas modelis kaip tokia situacija susidarytų, nors atidžiai kontroliuojant eksperimentines sąlygas, gali būti vykdomas procesas, kuris yra beveik visiškai grįžtamas.
Negrįžtami procesai ir antrasis termodinamikos dėsnis
Dauguma procesų, žinoma, yra negrįžtami procesai (arba pusiausvyros procesai). Naudojant stabdžių trintį, darbas su jūsų automobiliu yra negrįžtamas procesas. Oro paleidimas iš oro baliono patekimo į kambarį yra negrįžtamas procesas. Ledo bloko uždėjimas ant karšto cemento tako yra negrįžtamas procesas.
Apskritai šie negrįžtami procesai yra antrojo termodinamikos dėsnio, kuris dažnai apibūdinamas pagal entropijaar sistemos sutrikimas.
Antrąjį termodinamikos dėsnį galima apibūdinti keliais būdais, tačiau iš esmės tai riboja bet kokio šilumos perdavimo efektyvumą. Pagal antrąjį termodinamikos dėsnį procesas visada praras šilumą, todėl realiame pasaulyje neįmanoma visiškai grįžtamojo proceso.
Šilumos varikliai, šilumos siurbliai ir kiti įrenginiai
Bet kokį prietaisą, kuris šilumą iš dalies paverčia darbo ar mechanine energija, mes vadiname a šilumos variklis. Šilumos variklis tai daro perduodamas šilumą iš vienos vietos į kitą, tam tikrus darbus atlikdamas.
Naudojant termodinamiką, galima išanalizuoti šiluminis efektyvumas šilumos variklio, ir tai yra tema, nagrinėjama daugumoje įvadinių fizikos kursų. Čia pateikiami keli šilumos varikliai, kurie dažnai analizuojami fizikos kursuose:
- Vidaus degimo variklis - Kuro variklis, toks kaip automobiliuose. „Otto ciklas“ apibūdina termodinaminį įprasto benzininio variklio procesą. „Dyzelinis ciklas“ reiškia dyzelinius variklius.
- Šaldytuvas - Šilumos variklis atvirkščiai, šaldytuvas paima šilumą iš šaltos vietos (šaldytuvo viduje) ir perduoda ją į šiltą vietą (šaldytuvo išorėje).
- Šilumos siurblys - Šilumos siurblys yra šilumos variklio tipas, panašus į šaldytuvą, kuris naudojamas šildyti pastatus aušinant lauko orą.
Carnotų ciklas
1924 m. Prancūzų inžinierius Sadi Carnot sukūrė idealizuotą hipotetinį variklį, kurio maksimalus įmanomas efektyvumas atitiko antrąjį termodinamikos dėsnį. Savo efektyvumui jis pateikė šią lygtį: eCarnot:
eCarnot = ( TH - TC) / TH
TH ir TC yra atitinkamai karšto ir šalto rezervuarų temperatūra. Esant labai dideliam temperatūrų skirtumui, jūs gaunate aukštą efektyvumą. Žemas efektyvumas gaunamas, jei mažas temperatūrų skirtumas. Rezultatas yra 1 (100% efektyvumas), jei TC = 0 (t.y. absoliučioji vertė) kuri neįmanoma.