אנו מסבירים מהי תרמודינמיקה וממה מורכבת מערכת תרמודינמית. כמו כן, מהם חוקי התרמודינמיקה.
מהי תרמודינמיקה?
זה נקרא תרמודינמיקה (מיוונית תֶרמוֹס, "חום" ו דינמות, "כוח, כוח") לענף של גוּפָנִי החוקר את הפעולות המכניות של חום וצורות דומות אחרות של אנרגיה. המחקר שלו ניגש לאובייקטים כמערכות מקרוסקופיות אמיתיות, באמצעות ה שיטה מדעית והנמקה דדוקטיבית, תוך שימת לב למשתנים נרחבים כגון אנטרופיה, האנרגיה הפנימית או ה כרך; כמו גם משתנים לא נרחבים כגון טֶמפֶּרָטוּרָה, ה לַחַץ או הפוטנציאל הכימי, בין סוגי גדלים אחרים.
עם זאת, התרמודינמיקה אינה מציעה פרשנות לכמויות שהיא חוקרת, ומושאי המחקר שלה הם תמיד מערכות במצב של שיווי משקל, כלומר כאלה שמאפיינים ניתנים לקביעה על ידי אלמנטים פנימיים ולא כל כך על ידי כוחות חיצוניים הפועלים עליהם. מסיבה זו, קחו בחשבון ש- אֵנֶרְגִיָה ניתן להחליף רק ממערכת אחת לאחרת בתור א חוֹם או מ עבודה.
המחקר הפורמלי של התרמודינמיקה החל הודות לאוטו פון גוריקה ב-1650, פיזיקאי ומשפטן גרמני שתכנן ובנה את משאבת הוואקום הראשונה, תוך הפרכת אריסטו ואת ההלכה שלו ש"הטבע מתעב וואקום" עם יישומיו. בעקבות המצאה זו, המדענים רוברט בויל ורוברט הוק הם חידדו את המערכות שלהם ובחנו את המתאם בין לחץ, טמפרטורה ונפח. כך נולדו עקרונות התרמודינמיקה.
מערכת תרמודינמית
מערכת תרמודינמית מובנת כחלק מהיקום שלצורכי לימוד, מבודד רעיונית מהשאר ומנסה להבין באופן אוטונומי. שימו לב לדרכים שבהן האנרגיה משתנה או נשמרת, ובו בזמן, לחילופי חוֹמֶר ו/או אנרגיה עם הסביבה או עם מערכות דומות אחרות (אם יש). זוהי, אם כן, שיטה לחקר התרמודינמיקה.
הקריטריון העיקרי לסיווג מערכות אלו מבוסס על מידת הבידוד שלהן מהסביבה, ובכך מבחין בין:
- מערכות פתוחות. אלה שמחליפים בחופשיות אנרגיה וחומר עם סביבתם, כפי שעושות רוב המערכות המוכרות בחיי היומיום. למשל: מכונית. אחד מושיט לו לתדלק והוא חוזר לסביבה גזים וגם חום.
- מערכות סגורות. אלה שמחליפים אנרגיה עם הסביבה שלהם, אבל לא חשובים. זה מה שקורה עם מיכל סגור, כמו פחית, שתכולתו בלתי משתנה, אבל מאבד חום עםמזג אוויר, מפזר אותו לאוויר סביבו.
- מערכות מבודדות. כאלה שבמידה מסוימת לא מחליפים אנרגיה או חומר עם הסביבה. אין מערכות מבודדות בצורה מושלמת, כמובן, אבל יש במידה מסוימת: תרמוס שמכיל מים חם ישמור על הטמפרטורה שלו לזמן מה, מספיק כדי לשמור אותו מבודד לזמן מה.
חוקי התרמודינמיקה
"חוק האפס" מתבטא באופן הגיוני כך: אם A = C ו- B = C, אז A = B.
התרמודינמיקה נשלטת על ידי מה שנקבע בארבעת העקרונות או החוקים היסודיים שלה, שנוסחו על ידי מדענים שונים לאורך ההיסטוריה של זה משמעת. העקרונות או החוקים האמורים הם:
- עקרון ראשון, או חוק שימור האנרגיה. הוא קובע שכמות האנרגיה הכוללת בכל מערכת פיזיקלית המבודדת מסביבתה תהיה תמיד זהה, אם כי ניתן להפוך אותה מצורת אנרגיה אחת להרבה שונות. בפחות מילים: "לא ניתן ליצור או להרוס אנרגיה, אלא רק להפוך."
- עקרון שלישי, או חוק האפס המוחלט. הוא מכתיב שהאנטרופיה של מערכת שמובאת לאפס מוחלט תהיה תמיד קבוע מובהק. המשמעות היא שכאשר מגיעים לאפס המוחלט (-273.15 מעלות צלזיוס או 0 K), התהליכים של מערכות פיזיקליות נעצרים ולאנטרופיה יש ערך מינימלי קבוע.
- עקרון אפס או חוק שיווי משקל תרמי. הוא נקרא "חוק אפס" מכיוון שלמרות שהוא היה האחרון שרץ, המצוות הבסיסיות והיסודיות שהוא קובע עדיפות על פני שלושת החוקים האחרים. זה מכתיב ש"אם שתי מערכות נמצאות שיווי משקל תרמי באופן עצמאי עם מערכת שלישית, הם חייבים להיות גם בשיווי משקל תרמי זה עם זה".
תרמודינמיקה כימית
תרמודינמיקה כימית היא תחום מחקר נפרד, המתמקד בקורלציה בין חום ועבודה, לבין תגובה כימית, הכל ממוסגר במה שנקבע על ידי עקרונות התרמודינמיקה. כלומר, מדובר ביישום חוקי התרמודינמיקה, במיוחד שני הראשונים, על עולם התגובות בין חומרים ו תרכובות, על מנת להשיג את מה שמכונה "משוואות גיבס היסודיות", השולטות באופן שבו אנרגיה כימית הכלולים בתרכובות השונות משתנה ומועבר, או כיצד מידת האנטרופיה של עוֹלָם בכל פעם שמתרחשת תגובה ספונטנית.