Termodynamika

Termodynamika jest to dział fizyki, który wprost zajmuje się zjawiskami związanymi ze zmianą temperatury, a zmiana temperatury jest spowodowana przepływem ciepła. Drugi człon tej nazwy „dynamika” świadczy o tym, że te zmiany są dynamiczne. Oprócz zmian temperatury czy przepływów ciepła termodynamika również zajmuje się analizowaniem zmian stanów skupienia substancji pod wpływem przepływu ciepła.

Człowiek ciepłem zainteresował się bardzo wcześnie, a to wszystko przez to, że zjawiska z tym związane dały się zauważyć (np. zmiana stanu skupienia) albo wyczuć (jedno ciało jest cieplejsze od drugiego). Z tego powodu termodynamika doczekała się różnych interpretacji. Termodynamikę można następująco podzielić:

Termodynamika kinetyczno-molekularna: ten rodzaj termodynamiki zjawiska ciepła tłumaczy wzrostem ruchliwości atomów lub cząsteczek, a tarcie występujące między nimi powoduje wzrost temperatury. To jednak nie jest jedyny sposób opisu zjawisk termodynamicznych. Z biegiem lat człowiek zauważył, że do opisu zjawisk termodynamicznych można wykorzystać statystykę i w sposób statystyczny próbować wytłumaczyć te same zjawiska. W sumie jest to bardzo logiczne bo w dużych układach, w których atomów i cząsteczek jest bardzo, bardzo dużo lepiej jest uśredniać, a do tego celu wykorzystuje się statystykę. W taki sposób powstała termodynamika statystyczna.

Energia wewnętrzna

Trzeba zacząć, że każde ciało składa się z atomów i cząsteczek. One pod wpływem temperatury zaczynają delikatnie drgać a skoro atomy drgają to znaczy, że jest w nich uwięziona energia. I jakby zsumować wszystkie rodzaje energii znajdujących się wewnątrz ciała to otrzymamy energię wewnętrzną.

Zerowa zasada termodynamiki

Zerowa zasada termodynamiki mówi o równowadze termicznej. Co by to nie znaczyło, jak zawsze najlepiej podać przykład. Jeśli masz 2 ciała o różnych temperaturach, to po ich zetknięciu po pewnym czasie oba z nich będą miały taką samą temperaturę. Po prostu ciepło przepłynie z ciała cieplejszego do chłodniejszego. Jak do takich ciał przyłożysz trzecie ciało np. termometr to on po pewnym czasie również będzie miał dokładnie tą samą temperaturę co dwa wcześniejsze. To oznacza ze wszystkie te 3 ciała są ze sobą w równowadze termodynamicznej.

I zasada termodynamiki:

Ta zasada mówi o tym, że jeżeli chcesz zmienić energię wewnątrz ciała, czyli chcesz zwiększyć np. drgania atomów to możemy albo wykonać prace nad ciałem albo dostarczyć do niego ciepło. Wykonanie pracy nad ciałem, co to oznacza?

Wyobraź sobie strzykawkę. Jak zatkasz wylot strzykawki i przesuniesz tłok, to spowoduje zwiększenie ciśnienia wewnątrz. Zwiększenie ciśnienia spowoduje zmniejszenie przestrzeni do swobodnego ruchu atomów gazu. Innym sposobem na zmianę energii wewnętrznej jest dostarczenie do układu ciepła. Jak podgrzalibyśmy atomy gazu wewnątrz strzykawki to zaczęłyby się one poruszać znacznie szybciej, a tym samym wzrosłaby energia wewnętrzna. Można to zapisać za pomocą równania

ΔEw=W+Q

ΔEw – zmiana energii wewnętrznej
W – praca
Q – ciepło

Ciepło właściwe

Nazywamy tak ilość ciepła potrzebnego do ogrzania 1 kg substancji o 1^o C. Możemy to obliczyć ze wzoru:

m – masa

Q – ciepło

Δt – zmiana temperatury
C – ciepło właściwe

Ciepło molowe

Skoro jest coś takiego jak ciepło właściwe to musi być również ciepło molowe. Ciepło właściwe mówi o podgrzewaniu 1kg o 1^oC, natomiast ciepło molowe to jest ilość ciepła potrzebna do podgrzania 1 mola substancji o 1^oC. Przedstawiamy to za pomocą następującego wzoru:

C- ciepło molowe

Q- ciepło

Δt – zmiana temperatury

n- ilość moli

Topnienie ciał krystalicznych:

Topnienie ciał krystalicznych charakteryzuje się tym, że zachodzi w ściśle określonej temperaturze.

Dosyć oczywiste wydaje się to, że aby stopić ciało to należy dostarczyć do niego energię, natomiast jeśli ciało zaczyna krzepnąc to znaczy, że stopione ciało musi pozbyć się nadmiaru energii i ciepło wówczas jest odprowadzane do otoczenia.

Żeby stopić ciało trzeba doprowadzić do niego odpowiednią ilość ciepła. Tak więc ciepło topnienia to jest ilość energii jaką trzeba doprowadzić, aby stopić 1kg substancji.

Termodynamiką chętnie zajmują się fizycy, chemicy, ale również mechanicy. Z tego powodu u nas na stronie znajdziesz 4 kursy poruszające właśnie tę tematykę. Dwa z nich to są kursy z chemii fizycznej 1a i 1b (poniżej linki do nich )

https://fizyka-kursy.pl/kurs/chemia-fizyczna-1a

https://fizyka-kursy.pl/kurs/chemia-fizyczna-1b

Ale również podjęliśmy ten temat od strony takiej bardziej technicznej w kursie Termodynamika 1a i 1b. Te kursy są szczególnie przydatne dla studentów na wydziale mechanicznym.

https://fizyka-kursy.pl/kurs/termodynamika-1a

https://fizyka-kursy.pl/kurs/termodynamika-1b