Spotkanie Z Fizyką Sprawdzian Termodynamika

Termodynamika to dział fizyki zajmujący się badaniem energii, a konkretnie ciepła i jego związku z innymi formami energii, takimi jak praca. Rozważmy proces ogrzewania wody w czajniku. Ciepło dostarczane do wody powoduje jej wrzenie i zamianę w parę. To jest przykład przemiany termodynamicznej.

Podstawowe pojęcia

Energia wewnętrzna (U) to suma energii kinetycznej i potencjalnej wszystkich cząsteczek w danym układzie. Zależy ona od temperatury, ciśnienia i objętości układu. Wyobraź sobie słoik pełen kulek. Energia wewnętrzna to suma energii ruchu każdej kulki oraz energii związanej z ich wzajemnym oddziaływaniem.

Ciepło (Q) to energia przekazywana między ciałami o różnej temperaturze. Ciepło zawsze przepływa od ciała cieplejszego do chłodniejszego. Dotknij zimnego metalu. Odczuwasz chłód, ponieważ ciepło przepływa z Twojej ręki do metalu.

Praca (W) to energia przekazywana podczas działania siły na pewną odległość. Na przykład, rozprężający się gaz w silniku spalinowym wykonuje pracę, przesuwając tłok. Zastanów się nad pompowaniem opony rowerowej. Wykonujesz pracę, ściskając pompkę i zwiększając ciśnienie powietrza.

Pierwsza zasada termodynamiki

Pierwsza zasada termodynamiki mówi, że zmiana energii wewnętrznej układu (ΔU) jest równa sumie ciepła dostarczonego do układu (Q) i pracy wykonanej nad układem (W): ΔU = Q + W. Inaczej mówiąc, energia nie może być ani stworzona, ani zniszczona, a jedynie przekształcana z jednej formy w inną. Wyobraź sobie zamknięty termos z gorącą herbatą. Energia herbaty (energia wewnętrzna) stopniowo ucieka na zewnątrz jako ciepło, ogrzewając otoczenie.

Procesy termodynamiczne

Istnieje kilka rodzajów procesów termodynamicznych, w których układ zmienia swój stan. Proces izobaryczny zachodzi przy stałym ciśnieniu. Na przykład gotowanie wody w otwartym naczyniu. Proces izochoryczny zachodzi przy stałej objętości. Ogrzewanie zamkniętego pojemnika z gazem to przykład procesu izochorycznego. Proces izotermiczny zachodzi przy stałej temperaturze. Rozprężanie się gazu w cylindrze, który jest utrzymywany w stałej temperaturze, to przykład procesu izotermicznego. Proces adiabatyczny zachodzi bez wymiany ciepła z otoczeniem (Q=0). Szybkie sprężanie powietrza w pompce rowerowej jest przykładem procesu adiabatycznego. Powietrze się nagrzewa, ponieważ nie ma czasu na wymianę ciepła z otoczeniem.

Druga zasada termodynamiki

Druga zasada termodynamiki mówi, że entropia (miara nieuporządkowania układu) izolowanego układu zawsze rośnie lub pozostaje stała. Oznacza to, że procesy samorzutne zachodzą w kierunku zwiększania nieuporządkowania. Weź pod uwagę filiżankę gorącej kawy pozostawioną na stole. Kawa stopniowo stygnie, oddając ciepło do otoczenia. Entropia otoczenia wzrasta, a proces ten jest nieodwracalny. Nie zobaczysz, żeby kawa sama się nagrzała, pobierając ciepło z otoczenia.

Silniki cieplne to urządzenia, które zamieniają ciepło w pracę. Silnik spalinowy w samochodzie jest przykładem silnika cieplnego. Sprawność silnika cieplnego to stosunek pracy wykonanej przez silnik do ciepła dostarczonego do silnika. Druga zasada termodynamiki ogranicza sprawność silników cieplnych. Idealny silnik cieplny (silnik Carnota) ma największą możliwą sprawność, ale nawet on nie może mieć sprawności 100%.