מהי תרמודינמיקה? זהו ענף בפיזיקה העוסק בחקר תכונותיהן של מערכות מקרוסקופיות. במקביל, גם שיטות המרת אנרגיה ושיטות העברתה נופלות במסגרת המחקר. תרמודינמיקה היא ענף בפיזיקה החוקר את התהליכים המתרחשים במערכות ואת מצביהן. נדבר על מה עוד ברשימת הדברים שהיא לומדת.
הגדרה
בתמונה למטה ניתן לראות דוגמה של תרמוגרמה המתקבלת בעת לימוד קנקן מים חמים.
תרמודינמיקה היא מדע המסתמך על עובדות כלליות שהושגו באופן אמפירי. התהליכים המתרחשים במערכות תרמודינמיות מתוארים תוך שימוש בכמויות מקרוסקופיות. הרשימה שלהם כוללת פרמטרים כמו ריכוז, לחץ, טמפרטורה וכדומה. ברור שהן אינן ישימות על מולקולות בודדות, אלא מצטמצמות לתיאור של המערכת בצורתה הכללית (בניגוד לאותן כמויות המשמשות למשל באלקטרודינמיקה).
תרמודינמיקה היא ענף בפיזיקה שיש לו גם חוקים משלו. הם, כמו השאר, בעלי אופי כללי. פרטים ספציפיים על המבנה של אלכל חומר אחר שבחרנו לא תהיה השפעה משמעותית על אופי החוקים. לכן אומרים שהענף הזה של הפיזיקה הוא אחד הענפים הישימים (או יותר נכון, המיושמים בהצלחה) במדע ובטכנולוגיה.
Application
רשימת הדוגמאות יכולה להיות ארוכה מאוד. לדוגמא, ניתן למצוא פתרונות רבים המבוססים על חוקים תרמודינמיים בתחום ההנדסה התרמית או תעשיית החשמל. מיותר לציין על תיאור והבנה של תגובות כימיות, מעברי פאזה, תופעות העברה. במובן מסוים, התרמודינמיקה "משתפת פעולה" עם דינמיקה קוונטית. תחום המגע שלהם הוא תיאור של תופעת החורים השחורים.
חוקים
התמונה למעלה מדגימה את המהות של אחד התהליכים התרמודינמיים - הסעה. שכבות חמות של חומר עולות למעלה, שכבות קרות נופלות למטה.
שם חלופי לחוקים, שאגב, נעשה בו שימוש לעתים קרובות יותר מאשר לא, הוא תחילתה של התרמודינמיקה. נכון להיום, יש שלושה מהם (פלוס אחד "אפס", או "כללי"). אבל לפני שנדבר על מה שמרמז כל אחד מהחוקים, בואו ננסה לענות על השאלה מה הם עקרונות התרמודינמיקה.
הם קבוצה של הנחות מסוימות המהוות את הבסיס להבנת התהליכים המתרחשים במערכות מאקרו. הוראות עקרונות התרמודינמיקה נקבעו באופן אמפירי כסדרה שלמה של ניסויים ומחקר מדעי בוצע. לפיכך, יש כמה ראיותמה שמאפשר לנו לאמץ את ההנחות ללא ספק אחד לגבי דיוקן.
יש אנשים שתוהים למה התרמודינמיקה צריכה את החוקים האלה בדיוק. ובכן, אנו יכולים לומר שהצורך להשתמש בהם נובע מהעובדה שבחלק זה של הפיזיקה, פרמטרים מקרוסקופיים מתוארים באופן כללי, ללא כל רמז להתחשבות באופי המיקרוסקופי שלהם או בתכונות של אותה תוכנית. זה לא התחום של התרמודינמיקה, אלא של הפיזיקה הסטטיסטית, ליתר דיוק. דבר חשוב נוסף הוא העובדה שעקרונות התרמודינמיקה אינם תלויים זה בזה. כלומר, אחד מהשניים לא יעבוד.
Application
יישום התרמודינמיקה, כפי שהוזכר קודם לכן, הולך לכיוונים רבים. אגב, אחד מעקרונותיו נתפס כבסיס, שמתפרש אחרת בצורת חוק שימור האנרגיה. פתרונות והנחות תרמודינמיות מיושמות בהצלחה בתעשיות כמו תעשיית האנרגיה, הביו-רפואה והכימיה. כאן באנרגיה ביולוגית נעשה שימוש נרחב בחוק שימור האנרגיה ובחוק ההסתברות והכיוון של התהליך התרמודינמי. יחד עם זה, משמשים שם שלושת המושגים הנפוצים ביותר, עליהם מבוססת היצירה כולה ותיאורה. זוהי מערכת תרמודינמית, תהליך ושלב תהליך.
Processes
לתהליכים בתרמודינמיקה יש דרגות שונות של מורכבות. יש שבעה מהם. באופן כללי, יש להבין את התהליך במקרה זה כלא יותר משינוי במצב המקרוסקופי, בשהמערכת ניתנה קודם לכן. יש להבין שההבדל בין המצב ההתחלתי המותנה לתוצאה הסופית יכול להיות זניח.
אם ההבדל קטן לאין שיעור, אז נוכל לקרוא לתהליך שהתרחש אלמנטרי. אם נדון בתהליכים, נצטרך להזכיר תנאים נוספים. אחד מהם הוא "הגוף העובד". נוזל עבודה הוא מערכת שבה מתרחשים תהליכים תרמיים אחד או כמה.
התהליכים מחולקים באופן קונבנציונלי לחוסר שיווי משקל ולשיווי משקל. במקרה של האחרון, כל המצבים שדרכם צריכה לעבור המערכת התרמודינמית הם, בהתאמה, אי-שיווי משקל. לעתים קרובות, השינוי במצבים מתרחש במקרים כאלה בקצב מהיר. אבל תהליכי שיווי משקל קרובים לתהליכים מעין סטטיים. השינויים בהם איטיים בסדר גודל.
תהליכים תרמיים המתרחשים במערכות תרמודינמיות יכולים להיות הפיכים ובלתי הפיכים. על מנת להבין את המהות, הבה נחלק את רצף הפעולות למרווחים מסוימים בייצוג שלנו. אם אנחנו יכולים לעשות את אותו תהליך הפוך עם אותן "תחנות ביניים", אז אפשר לקרוא לזה הפיך. אחרת, זה לא יעבוד.
