Kas ir termodinamiskais process? Fizikas jautājumi

Sistēmā notiek termodinamiskais process, kad sistēmā notiek kaut kādas enerģētiskas izmaiņas, kas parasti ir saistītas ar spiediena, tilpuma, iekšējā enerģija, temperatūra vai jebkura veida siltuma pārnešana.

Ir vairāki specifiski termodinamisko procesu veidi, kas notiek pietiekami bieži (un praktiskās situācijās), ka tos parasti apstrādā termodinamikas izpētē. Katram no tiem ir unikāla īpašība, kas to identificē un kas ir noderīga, analizējot enerģijas un darba izmaiņas, kas saistītas ar procesu.

• Adiabātiskais process - process bez siltuma pārneses sistēmā vai no tās.
• Izohora process - process bez apjoma izmaiņām, šajā gadījumā sistēma nedarbojas.
• Izobārs process - process bez spiediena izmaiņām.
• Izotermisks process - process bez temperatūras izmaiņām.

Vienā procesā ir iespējams veikt vairākus procesus. Acīmredzamākais piemērs būtu gadījums, kad mainās tilpums un spiediens, nemainot temperatūru vai pārnesot siltumu - šāds process būtu gan adiabātisks, gan izotermisks.

Matemātiski: pirmais termodinamikas likums var uzrakstīt šādi:

delta- U = Q - W vai Q = delta- U + W
kur

• delta-U = sistēmas izmaiņas iekšējā enerģijā
• Q = siltums, kas nodots sistēmā vai no tās.
• W = darbs, ko veic sistēma vai pie tās.

Analizējot kādu no iepriekš aprakstītajiem īpašajiem termodinamiskajiem procesiem, mēs bieži (kaut arī ne vienmēr) atrodam ļoti veiksmīgu iznākumu - vienu no šiem lielumiem samazina līdz nullei!

Piemēram, adiabātiskā procesā nav siltuma pārneses, tātad Q = 0, iegūstot ļoti tiešas attiecības starp iekšējo enerģiju un darbu: delta-Q = -W. Lai iegūtu precīzāku informāciju par to unikālajām īpašībām, skatiet šo procesu atsevišķās definīcijas.

Lielākā daļa termodinamisko procesu notiek dabiski no viena virziena uz otru. Citiem vārdiem sakot, viņiem ir vēlamais virziens.

Siltums plūst no karstāka objekta uz aukstāku. Gāzes izplešas, lai aizpildītu istabu, bet spontāni nesamazināsies, lai aizpildītu mazāku vietu. Mehānisko enerģiju var pilnībā pārveidot siltumā, bet praktiski nav iespējams pilnībā pārveidot siltumu mehāniskā enerģijā.

Tomēr dažās sistēmās notiek atgriezenisks process. Parasti tas notiek, ja sistēma vienmēr ir tuvu termiskajam līdzsvaram gan pašas sistēmas iekšpusē, gan ar jebkuru apkārtni. Šajā gadījumā bezgalīgas izmaiņas sistēmas apstākļos var izraisīt procesu, kas iet citu ceļu. Kā atgriezenisku procesu sauc arī par līdzsvara process.

1. piemērs: Divi metāli (A un B) atrodas termiskā kontaktā un termiskais līdzsvars. Metālu A silda bezgalīgi mazā daudzumā, lai siltums no tā plūst metālā B. Šo procesu var mainīt, atdzesējot A bezgalīgi mazā daudzumā, kurā siltums sāks plūst no B uz A, līdz tie atkal būs termiskā līdzsvarā.

2. piemērs: Gāze tiek lēnām un adiabātiski paplašināta atgriezeniskā procesā. Palielinot spiedienu par bezgalīgu daudzumu, tā pati gāze lēnām un adiabātiski var saspiest atpakaļ sākotnējā stāvoklī.

Jāatzīmē, ka šie ir nedaudz idealizēti piemēri. Praktiskos nolūkos sistēma, kas atrodas termiskajā līdzsvarā, vairs neatrodas termiskajā līdzsvarā, tiklīdz tiek ieviesta viena no šīm izmaiņām... tādējādi process faktiski nav pilnībā atgriezenisks. Tas ir idealizēts modelis par to, kā šāda situācija rastos, lai gan ar rūpīgu eksperimenta apstākļu kontroli var veikt procesu, kas ir ļoti tuvu tam, lai tas būtu pilnībā atgriezenisks.

Lielākā daļa procesu, protams, ir neatgriezeniski procesi (vai nevienmērīgi procesi). Izmantojot bremžu berzi, darbs pie automašīnas ir neatgriezenisks. Gaisa izlaišana no balona izlaišanas telpā ir neatgriezenisks process. Ledus bloka novietošana uz karsta cementa celiņa ir neatgriezenisks process.

Kopumā šie neatgriezeniskie procesi ir termodinamikas otrā likuma sekas, kas bieži tiek definēti kā entropijavai sistēmas traucējumi.

Ir vairāki veidi, kā izteikt otro termodinamikas likumu, taču būtībā tas ierobežo to, cik efektīva var būt jebkura siltuma pārnešana. Saskaņā ar otro termodinamikas likumu process vienmēr zaudēs siltumu, tāpēc reālajā pasaulē nav iespējams pilnīgi atgriezenisks process.

Mēs saucam par jebkuru ierīci, kas siltumu daļēji pārveido darba vai mehāniskajā enerģijā a siltuma motors. Siltuma motors to dara, pārnesot siltumu no vienas vietas uz otru, pa ceļam veicot kādu darbu.

Izmantojot termodinamiku, ir iespējams analizēt termiskā efektivitāte siltuma dzinēja, un tas ir temats, kas apskatīts lielākajā daļā fizikas ievadkursu. Šeit ir daži siltuma dzinēji, kurus bieži analizē fizikas kursos:

• Iekšdedzes dzinējs - ar degvielu darbināms dzinējs, piemēram, automašīnās. "Otto cikls" nosaka parastā benzīna motora termodinamisko procesu. "Dīzeļa cikls" attiecas uz motoriem, kas darbināmi ar dīzeļdegvielu.
• Ledusskapis - Siltuma dzinējs atpakaļgaitā, ledusskapis ņem siltumu no aukstas vietas (ledusskapja iekšpusē) un nodod to siltā vietā (ārpus ledusskapja).
• Siltumsūknis - Siltumsūknis ir siltuma dzinēja tips, kas līdzīgs ledusskapim, kuru izmanto ēku apsildīšanai, atdzesējot ārējo gaisu.

1924. gadā franču inženieris Sadi Karnots izveidoja idealizētu, hipotētisku motoru, kura maksimālā iespējamā efektivitāte bija saskaņā ar otro termodinamikas likumu. Par savu efektivitāti viņš nonāca pie šāda vienādojuma: e_Carnot:

e_Carnot = ( T_H - T_C) / T_H

T_H un T_C ir attiecīgi karstā un aukstā rezervuāra temperatūra. Ar ļoti lielu temperatūras starpību jūs iegūstat augstu efektivitāti. Zema efektivitāte rodas, ja zemā temperatūras starpība. Efektivitāte ir 1 (100% efektivitāte) tikai tad, ja T_C = 0 (t.i. absolūtā vērtība) kas nav iespējams.