Termodynamika to jeden z kilku działów fizyki. Dział ten zajmuje się energetycznymi przemianami fizycznymi i chemicznymi. Zajmując się termodynamiką, zajmujecie się również przemianami cieplnymi i reakcjami chemicznymi. Fizyka jest często nielubianym przedmiotem przez uczniów (niezależnie od omawianego działu), dlatego też dzisiaj postaramy się nieco rozjaśnić Wam ten temat. Zapraszamy do lektury!
Co to jest termodynamika?
Najpierw wyjaśnimy Wam, co to jest termodynamika. Pamiętajcie, że mimo tego, że jest to jeden z działów fizyki, wcale nie musi być trudny. Termodynamika otacza nas z każdej strony - o tym jednak dowiecie się nieco później. Wracając jednak do tematu - jest to pewien z działów omawianych na lekcjach fizyki. Tak jak mówiliśmy, dotyczy on badania energetycznych przemian (mówimy tu o przemianach zarówno fizycznych, jak i chemicznych).
Wyróżniamy kilka rodzajów termodynamiki:
- klasyczną;
- kwantową;
- statystyczną;
- techniczną;
- chemiczną;
- a także procesów nierównowagowych.
Podczas uczenia się tego działu fizyki (termodynamiki) poznacie pojęcia między innymi takie, jak równanie Clapeyrona, energia wewnętrzna czy swobodna, gaz doskonały, oraz układ termodynamiczny zamknięty i otwarty.
Zasady termodynamiki
W termodynamice wyróżniamy cztery główne zasady oraz zasadę zerową. Omówimy je teraz pokrótce:
|
Termodynamika - zasady |
|
|
Zerowa zasada termodynamiki |
Dotyczy ona tak zwanego stanu równowagi, gdy wszystkie ciała mają taką samą temperaturę. |
|
I zasada termodynamiki |
Zasada ta dotyczy znikania i pojawiania się ciepła - gdy pojawia się ciepło, dostarczana jest energia, a gdy znika, to się wydziela. |
|
II zasada termodynamiki |
Zasada ta pokazuje kierunek i przepływ ciepła. Inaczej mówiąc - ciepło zawsze przepływa z wyższej do niższej temperatury (nie ma możliwości, żeby było odwrotnie). |
|
III zasada termodynamiki |
Zasada ta określa minimalny stan chłodzenia. Mówi o tym, że nie możemy doprowadzić ciała do zera absolutnego. |
|
IV zasada termodynamiki - bardzo często prawo to, nie jest uznawane jako zasada, a jako “relacja wzajemności Onsagera”. |
Zasada ta dotyczy symetrii związków. Dotyczy procesów nieodwracalnych - na przykład, takich jak: przekazywanie ciepła czy przepływ prądu. |
Prawa termodynamiki
Poniżej przedstawimy prawa, z których korzystamy w termodynamice:
|
Prawa w termodynamice |
|
|
Prawo Guy'a - Lussac'a |
Jeżeli mamy stałe ciśnienie, to objętość jest proporcjonalna do temp. bezwzględnej. |
|
Prawo Charlsa |
Jeżeli mamy określoną objętość, to ciśnienie jest proporcjonalne do temp. bezwzględnej. |
|
Prawo Boyle'a - Mariotta |
Jeżeli mamy określoną temperaturę to objętość jest odwrotnie proporcjonalna do ciśnienia bezwzględnego. |
|
Prawo Avogadra |
Mając dwa gazy, w identycznej temperaturze, o tym samym ciśnieniu, to w tej samej objętości znajduje się taka sama ilość cząsteczek gazu doskonałego. |
Zjawiska termodynamiczne
Wydarzenia związane z termodynamiką obserwujemy w codziennym życiu niemal cały czas. Jednak jeszcze częściej nie zdajemy sobie z tego sprawy. Najłatwiej będzie nam to pokazać na podstawie wody. Jak już wiecie, im wyższa temperatura, tym objętość się zwiększa (rozszerza). Woda jest jednak wyjątkiem od tej reguły. W przedziale od 0 do 4 stopni jej objętość nie zwiększa się, lecz wręcz przeciwnie - zmniejsza (w związku z tym zwiększa się jej gęstość). Co więcej, i jest to bardzo ciekawe - woda zarówno przy 0, jak i 9 stopniach ma taką samą gęstość. Fakt ten ma dla nas szczególne znaczenie. Najlepiej będzie to obrazował proces zamarzania wody w jeziorze, stawie czy innym zbiorniku wodnym. Najcieplejsza woda jest przy samym dnie, gdzie gęstość jej jest największa. W przypadku temperatury wyższej niż 9 stopni woda wypływała na powierzchnię. Pod samym lodem temperatura wody wynosi 4 stopnie, dzięki temu woda w zbiorniku wodny pozostaje w tzw. całkowitym bezruchu - ani woda, ani lód nie są dobrymi przewodnikami ciepła, dlatego też woda pod lodem ma temperatury dodatnie i nigdy nie zamarza przy samym dnie. Dzięki temu żyjące tam stworzenia mogą spokojnie przeżyć całą zimę.
Termodynamikę obserwujemy również w innych sytuacjach - dla niektórych jej działanie jest pomocne, dla innych wręcz przeciwnie. Dla przykładu - woda, która zamarza (czyli zwiększa objętość) w szczelinach i dziurach lub dziurkach dróg sprawia, że ubytki te robią jeszcze większe. O ile termodynamika nie działa pozytywnie na nasze drogi, to już dla rolników bardzo - zamarznięta woda w ziemi rozsadza ziemię i znacząco ułatwia uprawę ziemi na wiosnę.
Parametry termodynamiczne
Całą termodynamikę opisują poszczególne parametry. Możemy je podzielić na dwie grupy - ekstensywne i intensywne. Pierwsze z nich są zależne od materii (proporcjonalne), a drugie z kolei nie.
Parametry termodynamiczne dzielimy następująco:
|
Parametry termodynamiczne |
|
|
P. ekstensywne |
P. intensywne |
|
masa; |
temperatura; |
|
objętość; |
ciśnienie; |
|
entropia; |
ułamek molowy; |
|
entalpia; |
|
Termodynamika, jak i cała fizyki należy do przedmiotów ścisłych. Wiemy też, że przez większość z Was jest niezrozumiała i co za tym idzie - nielubiana. Mamy nadzieję, że artykuł ten nieco rozjaśnił Wam zagadnienie termodynamiki, jeżeli jednak nie, to zapoznajcie się z ofertą BUKI odnośnie nauczycieli fizyki. Życzymy powodzenia!
