Термодинамика: Разлика между версии

Интерактивен преглед на историята

← По-стара редакция По-нова редакция →

Изтрито е съдържание Добавено е съдържание

ВизуаленУикитекст

Линейно

Версия от 19:19, 29 юли 2011

Серия статии на тема
Термодинамика

Енталпия . Ентропия . Топлина

Закони на термодинамиката

Нулев закон на термодинамиката . Първи закон на термодинамиката . Втори закон на термодинамиката . Трети закон на термодинамиката

Термодинамични величини

Налягане . Обем . Вътрешна енергия . Температура . Свободна енергия на Хелмхолц . Свободна енергия на Гибс . Голям термодинамичен потенциал

Термодинамични процеси

Изобарен . Изохорен . Изотермен . Адиабатен

Физици

Сади Карно . Робърт Бойл . Жозеф Луи Гей-Люсак . Жак Шарл . Джеймс Джаул

Термодинамиката (от гръцки: θέρμη, топлина и δύναμις, сила; буквално може да се преведе като топлосила) е раздел от физиката, занимаващ се с топлинните процеси, протичащи в телата следствие промяната на температура, обем и налягане. Термодинамиката се дели на класическа, статистическа и химическа и в основата ѝ са законите на термодинамиката - постулати, които постановяват, че енергия може да се обменя между системите във формата на работа или топлина. Те също така постулират съществуването на физична величина, наречена ентропия, която е напълно определена за всяка изолирана система в термодинамично равновесие. Общо казано, термодинамиката описва как отделни системи реагират на промени в околната среда.

История

Робърт Бойл, основоположник на модерната химия

Историята на термодинамиката като наука започва с Ото фон Герике, който през 1650 година разработва и построява първата вакумна помпа. Той също така демонстрира вакум с помощта на магдебургските полукълба. Малко по-късно английският химик Робърт Бойл заедно с Робърт Хук построяват въздушната помпа през 1656 година.^[1] С помощта на тази помпа те установяват връзката между температура, обем и налягане.

През 1679 г. френският физик Дени Папен конструира първия модел на бутален парен двигател. През 1704 г. той създава и прототип на кораб, задвижван от парния двигател, който е директно свързан към задвижващите гребла. През 1697 г. на базата на разработките на Папен е създаден и първият рабитещ парен двигател.

Фундаменталните понятия като специфичен топлинен капацитет и латентна топлина са разработени от Джоузеф Блек и Джеймс Уат в университета в Глазгоу, които работят заедно, но заслугата за същественото подобряване на ефективността на парния двигател се пада на Уат. Той кондензира парата в отделен студен цилиндър, докато основният цилиндър остава постоянно топъл. Освен това той използва горещата пара за връщане на буталото, като по този начин още повече намалява загубата на топлина. Уат забелязва също, че може да се реализира значителна икономия, ако се прекрати притокът на пара преди пълното преместване на буталото и се използва нейното разширение.

Крайъгълен камък в развитието на термодинамиката се явяват разработките на френския учен Сади Карно, считан за основоположник на съвременната термодинамика. Той публикува историческия си труд „Размишления за двигателната сила на огъня и за подходящите машини за извличане на тази сила“ в който описва топлинен двигател, базиран на цикъла на Карно.

Първият учебник по термодинамика е написан през 1859 г. от Уилям Ранкин, физик и инженер в университета в Глазгоу.^[2] Първият и вторият закон на термодинамиката се появяват през 1850-те като резултат от работите на Рудолф Клаузиус и Уилям Томсън, известен като лорд Келвин. Пиер Перо твърди, че терминът „термодинамика“ е въведен от Джеймс Джаул през 1858 година, но самият Джаул никога не го използва. През същата година обаче терминът е използван от лорд Келвин.^[3]

Основите на статистическата термодинамика са разработени от физици като Джеймс Кларк Максуел, Лудвиг Болцман, Макс Планк, Рудолф Клаузиус и Уилард Гибс.

През периода 1873-76 г. американският физик Гибс публикува 3 статии в които показва как могат да бъдат анализирани графично някои термодинамични процеси, изучавайки връзката между енергия, ентропия, налягане, обем и температура.^[4] През 20-ти век математическите методи на Гибс са използвани за анализ и на химични процеси.^[5]

Дялове на термодинамиката

Класическа термодинамика

Класическата термодинамика е дял на термодинамиката, който описва състоянието на термодинамични системи в термодинамично равновесие. Моделира обмяна на енергия, извършената работа и постулира законите на термодинамиката. Основите на класическата тъермодинамика са разработени през 19-ти век.

Статистическа термодинамика

Рождената дата на статистическата термодинамика е 1901 г. с работата на Планк по разпределение на енергията на топлинното движение. Друга основна отправна точка са работите на Гибс, които съдържат основните идеи на статистическата физика, а именно метода на ансамблите. Статистическата термодинамика дава молекулярна и атомна интерпретация на законите и процесите, като използва както класическа, така и квантова механика.

Химическа термодинамика

Химическата термодинамика е дял на термодинамиката, изследващ връзките на топлината и работата с различни химични явления. Основен проблем на химическата термодинамика е установяването на критерии за спонтанно възникване на дадена трансформация (химична реакция, фазов преход, образуване на разтвор).

Видове термодинамични системи

Понятието система е много важно в термодинамиката, то се отнася до частта от пространството, което бива изучавано в момента. Системата е отделена от останалата част от вселената с граници, които могат да бъдат реални или не, но определят краен обем. Всичко извън системата се нарича околна среда. Съществуват 5 основни вида системи:

Изолирани системи – вещество и енергия не могат да преминават границата.
Адиабатни системи – топлината не може да преминава границата.
Изотермични системи - топлина може да мине през границата.
Затворени системи – вещество не може да премине границата.
Отворени системи – топлина, работа, и вещество могат да преминават през границата.

Видове термодинамични процеси

Изобарен процес - протича при постоянно налягане
Изохорен процес - протича при постоянен обем
Изотермен процес - протича при постоянна температура
Адиабатен процес - няма поток на топлинна енергия отвъд границите на термодинамичната система

Термодинамични потенциали

Потенциал	Формула
Вътрешна енергия	$U=TS-pV+\sum _{i}\mu _{i}N_{i}\,$
Свободна енергия на Хелмхолц	$A=U-TS\,$
Енталпия	$H=U+pV\,$
Свободна енергия на Гибс	$G=U+pV-TS\,$
Голям термодинамичен потенциал	$\Phi _{G}=U-TS-\mu N\,$

Закони на термодинамиката

Нулев закон на термодинамиката

Основна статия: Нулев закон на термодинамиката

Той се отнася до термичното равновесие: Ако две термодинамични системи са поотделно в термично равновесие с трета, то те са в термично равновесие помежду си;

Първи закон на термодинамиката

Основна статия: Първи закон на термодинамиката

Първият закон на термодинамиката^[6] в същността си е една нова, по-разширена формулировка на закона за съхраняване на енергията: промяната във вътрешната енергия на една термодинамична система е равна на сумата от количеството топлина, внесена в системата и работата, извършена върху системата.

dU=\delta Q-\delta W\,

Втори закон на термодинамиката

Основна статия: Втори закон на термодинамиката

Вторият закон на термодинамиката^[7] въвежда понятието ентропия: ентропията на една изолирана термодинамична система има тенденцията да се увеличава с времето. Едни от основните изводи на този закон са:

Топлината не може самопроизволно да тече в посока от студеното към топлото тяло
Съществуването на вечен двигател от втори род е невъзможно
Коефициентът на полезно действие е винали по-малък от единица

Различни формулировки на закона

Формулировка на Клаузиус: Всички топлинни процеси могат да се разделят на два класа – положителни и отрицателни. Положителните процеси протичат самопроизволно, а отрицателните само чрез създаване на изкуствени условия (с използване на допълнителни съоръжения).

Формулировка на Карно: Топлината може да се превръща в работа, само когато е налице температурна разлика. От цялото количество топлина се оползотворява само част от нея и тази част зависи от температурната разлика.

Формулировка на Томсън: Машина, която отнема топлина от един топлинен източник и я превръща в работа, без да настъпят каквито и да са други изменения в участващите тела, е невъзможна.

Формулировка на Планк: Не е възможно построяването на периодично действаща машина, която да не извършва нищо друго, освен да повдига един товар и да охлажда един топлинен източник.

Формулировка на Оствалд: Не е възможно построяването на вечен двигател от втори ред. Това е машина, която противоречи на втория принцип на термодинамиката, докато вечен двигател от първи род е машина, която противоречи на закона за запазване на енергията (първия закон на термодинамиката).

Формулировка на Болцман: Природата се стреми да премине от състояния с по-малка вероятност към състояния с по-голяма вероятност.

Трети закон на термодинамиката

Основна статия: Трети закон на термодинамиката

Третият закон на термодинамиката се отнася до невъзможността от достигане на абсолютната нула: ентропията е нула при абсолютната нула.

Източници

↑ J. R. Partington. A Short History of Chemistry. Dover, 1989. OCLC 19353301.
↑ Cengel, Yunus A.; Boles, Michael A. Thermodynamics - an Engineering Approach. McGraw-Hill, 2005. ISBN 0-07-310768-9.
↑ Kelvin, William T. (1849) "An Account of Carnot's Theory of the Motive Power of Heat - with Numerical Results Deduced from Regnault's Experiments on Steam." Transactions of the Edinburg Royal Society, XVI. January 2.Scanned Copy
↑ Gibbs, Willard. The Scientific Papers of J. Willard Gibbs, Volume One: Thermodynamics. Ox Bow Press, 1993. ISBN 0-918024-77-3. OCLC 27974820.
↑ Lewis, Gilbert N. и др. Thermodynamics and the Free Energy of Chemical Substances. McGraw-Hill Book Co. Inc., 1923.
↑ Първи закон на термодинамиката
↑ Втори закон на термодинамиката

Портал „Физика“

[1] J. R. Partington. A Short History of Chemistry. Dover, 1989. OCLC 19353301.

[2] Cengel, Yunus A.; Boles, Michael A. Thermodynamics - an Engineering Approach. McGraw-Hill, 2005. ISBN 0-07-310768-9.

[kelvin1849-3] Kelvin, William T. (1849) "An Account of Carnot's Theory of the Motive Power of Heat - with Numerical Results Deduced from Regnault's Experiments on Steam." Transactions of the Edinburg Royal Society, XVI. January 2.Scanned Copy

[4] Gibbs, Willard. The Scientific Papers of J. Willard Gibbs, Volume One: Thermodynamics. Ox Bow Press, 1993. ISBN 0-918024-77-3. OCLC 27974820.

[5] Lewis, Gilbert N. и др. Thermodynamics and the Free Energy of Chemical Substances. McGraw-Hill Book Co. Inc., 1923.

[6] Първи закон на термодинамиката

[7] Втори закон на термодинамиката

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

@@ Ред 13: / Ред 13: @@
 Крайъгълен камък в развитието на термодинамиката се явяват разработките на френския учен [[Сади Карно (физик)|Сади Карно]], считан за основоположник на съвременната термодинамика. Той публикува историческия си труд „Размишления за двигателната сила на огъня и за подходящите машини за извличане на тази сила“ в който описва [[топлинен двигател]], базиран на [[цикъл на Карно|цикъла на Карно]].
-Първият учебник по термодинамика е написан през 1859 г. от [[Уилям Ранкин]], физик и инженер в университета в Глазгоу.<ref>{{cite book | author=Cengel, Yunus A.; Boles, Michael A. | title=Thermodynamics - an Engineering Approach | publisher=McGraw-Hill | year=2005 | isbn=0-07-310768-9}}</ref> Първият и вторият закон на термодинамиката се появяват през 1850-те като резултат от работите на [[Рудолф Клаузиус]] и [[Уилям Томсън]], известен като лорд [[Келвин]]. Пиер Перо твърди, че терминът „термодинамика“ е въведен от [[Джеймс Джаул]] преь 1858 година, но самият Джаул никога не го използва. През същата година обаче терминът е използван от лорд Келвин.<ref name=kelvin1849>Kelvin, William T. (1849) "An Account of Carnot's Theory of the Motive Power of Heat - with Numerical Results Deduced from Regnault's Experiments on Steam." ''Transactions of the Edinburg Royal Society, XVI. January 2.''[http://visualiseur.bnf.fr/Visualiseur?Destination=Gallica&O=NUMM-95118 Scanned Copy]</ref>
+Първият учебник по термодинамика е написан през 1859 г. от [[Уилям Ранкин]], физик и инженер в университета в Глазгоу.<ref>{{cite book | author=Cengel, Yunus A.; Boles, Michael A. | title=Thermodynamics - an Engineering Approach | publisher=McGraw-Hill | year=2005 | isbn=0-07-310768-9}}</ref> Първият и вторият закон на термодинамиката се появяват през 1850-те като резултат от работите на [[Рудолф Клаузиус]] и [[Уилям Томсън]], известен като лорд [[Келвин]]. Пиер Перо твърди, че терминът „термодинамика“ е въведен от [[Джеймс Джаул]] през 1858 година, но самият Джаул никога не го използва. През същата година обаче терминът е използван от лорд Келвин.<ref name=kelvin1849>Kelvin, William T. (1849) "An Account of Carnot's Theory of the Motive Power of Heat - with Numerical Results Deduced from Regnault's Experiments on Steam." ''Transactions of the Edinburg Royal Society, XVI. January 2.''[http://visualiseur.bnf.fr/Visualiseur?Destination=Gallica&O=NUMM-95118 Scanned Copy]</ref>
 Основите на статистическата термодинамика са разработени от физици като [[Джеймс Кларк Максуел]], [[Лудвиг Болцман]], [[Макс Планк]], Рудолф Клаузиус и [[Уилард Гибс]].