Termodinamika
Termodinamikai körfolyamatok |
---|
A termodinamika vagy magyar nevén hőtan a fizika energiaátalakulásokkal foglalkozó tudományterülete.
Egy magára hagyott termodinamikai rendszerben az intenzív állapotjelzők eloszlása homogénné válik, vagyis a rendszer egyensúlyi állapotba kerül. Az egyensúlyi állapottal a termosztatika foglalkozik. Minden pontjában ugyanakkora nyomás, hőmérséklet stb. lesz. Termodinamikai elveken (is) alapszik pl.: időjárás-előrejelzés, robbanómotorok, repülőgép-hajtóművek, hűtőszekrény, kuktafazék, kémény. Néhány fogalom, mely kapcsolódik a termodinamikához:
- tömeg
- tömegáram
- hőátadás
- munka
- hő
- belső energia
- nyomás
- fázis
- entrópia
- entalpia
- fajhő
- ideális gáz
- Carnot-körfolyamat.
Klasszikus termodinamika
[szerkesztés]0. főtétel: a termodinamikai rendszer egyensúlya
[szerkesztés]A nulladik főtétel tulajdonképpen nem egyetlen „törvényt”, hanem több posztulátumot jelent, amelyek a termodinamikai rendszer egyensúlyával kapcsolatosak. Ezek:
- bármely magára hagyott termodinamikai rendszer egy idő után egyensúlyi állapotba kerül, amelyből önmagától nem mozdulhat ki;
- egy egyensúlyban levő termodinamikai rendszer szabadságfokainak száma a környezetével megvalósítható kölcsönhatások számával egyenlő;
- a két testből álló magára hagyott termodinamikai rendszer egyensúlyban van, ha a testek között fellépő kölcsönhatásokat jellemző intenzív állapothatározóik egyenlők;
- az egyensúly tranzitív (ha A rendszer termodinamikai egyensúlyban van C rendszerrel és B rendszer is termodinamikai egyensúlyban van C rendszerrel, akkor ebből következik, hogy A és B rendszer is termodinamikai egyensúlyban van egymással).
I. főtétel: az energiamegmaradás törvénye
[szerkesztés]A termodinamika első főtétele mennyiségi összefüggést állapít meg a mechanikai munka, a cserélt hő és a belső energia változása között. Egy nyugvó és zárt termodinamikai rendszer belső energiáját, amennyiben annak belsejében nem zajlik le fázisátalakulás vagy kémiai reakció, kétféleképpen lehet megváltoztatni: munkavégzéssel és hőközléssel. A rendszer belső energiájának megváltozása ΔU tehát a vele közölt Q hőmennyiség és a rajta végzett W (bármilyen) munka összege:
Áramló közegre a hő és a technikai munka összege így számolható:
ahol q a hő, wt12 a technikai munka, h az entalpia, c a közegáramlás sebessége, g a gravitációs állandó és z a vizsgált pont magassága (helyzete). Differenciális alakban:
Következménye: Nincs olyan periodikusan működő gép, ú.n. elsőfajú perpetuum mobile, mely hőfelvétel nélkül képes lenne munkát végezni.
II. főtétel
[szerkesztés]A második főtétel a spontán folyamatok irányát szabja meg. Több, látszólag lényegesen különböző megfogalmazása van.
- Clausius-féle megfogalmazás (1850): A természetben nincs olyan folyamat, amelyben a hő önként, külső munkavégzés nélkül hidegebb testről melegebbre menne át. Csakis fordított irányú folyamatok lehetségesek.
- Kelvin-Planck-féle megfogalmazás (1851, 1903): A természetben nincs olyan folyamat, amelynek során egy test hőt veszít, és ez a hő munkává alakulna át. Szemléletesen egy hajó lehetne ilyen, amelyik a tenger vizéből hőenergiát von el, és a kivont hőenergiával hajtja magát. Ez nem mond ellent az energiamegmaradásnak, mégsem kivitelezhető.
Az ilyen gépet másodfajú perpetuum mobilének nevezzük, tehát az állítás szerint nem létezik másodfajú perpetuum mobile.
A két megfogalmazás egymásból következik, de a levezetése nem teljesen egyszerű.
A második alaptörvénynek ezek és az ezekhez hasonló megfogalmazásai zavarbaejtőek, hiszen a fizika többi, összefüggéseket megállapító törvényeivel szemben valaminek a létezését tagadják. Egy jobb megfogalmazás végett egy új fogalom került bevezetésre: az entrópia. A termodinamika második alaptörvénye az entrópia felhasználásával a következőképpen fogalmazható meg: a magukra hagyott rendszerek entrópiája spontán folyamatokkal nem csökkenhet.
III. főtétel
[szerkesztés]Nernst megfogalmazása szerint az abszolút tiszta kristályos anyagok entrópiája nulla kelvin hőmérsékleten zérus.
Források
[szerkesztés]- Litz József: Hőtan
- Hraskó Péter: Termodinamika és statisztikus fizika
További információk
[szerkesztés]- Goldstein, Martin, and Inge F.. The Refrigerator and the Universe. Harvard University Press (1993). ISBN 0-674-75325-9. OCLC 32826343 A nontechnical introduction, good on historical and interpretive matters.
- Kazakov, Andrei (2008. augusztus 1.). „Web Thermo Tables – an On-Line Version of the TRC Thermodynamic Tables”. Journal of Research of the National Institutes of Standards and Technology 113 (4), 209–220. o. [halott link]
- Cengel, Yunus A., & Boles, Michael A.. Thermodynamics – an Engineering Approach. McGraw Hill (2002). ISBN 0-07-238332-1. OCLC 45791449 52263994 57548906
- Fermi, E. (1956). Thermodynamics, Dover, New York.
- Kittel, Charles & Kroemer, Herbert. Thermal Physics. W. H. Freeman Company (1980). ISBN 0-7167-1088-9. OCLC 32932988 48236639 5171399