თერმოდინამიკა ფიზიკის მნიშვნელოვანი დარგია. თამამად შეგვიძლია ვთქვათ, რომ მისმა მიღწევებმა განაპირობა ტექნოლოგიური ეპოქის გაჩენა და დიდწილად განსაზღვრა კაცობრიობის ისტორიის მიმდინარეობა ბოლო 300 წლის განმავლობაში. სტატიაში განხილულია თერმოდინამიკის პირველი, მეორე და მესამე კანონები და მათი გამოყენება პრაქტიკაში.
რა არის თერმოდინამიკა?
თერმოდინამიკის კანონების ჩამოყალიბებამდე, მოდით გავარკვიოთ, რას აკეთებს ფიზიკის ეს ნაწილი.
სიტყვა "თერმოდინამიკა" ბერძნული წარმოშობისაა და ნიშნავს "მოძრაობას სიცხის გამო". ანუ ფიზიკის ეს დარგი დაკავებულია ნებისმიერი პროცესის შესწავლით, რის შედეგადაც თერმული ენერგია გარდაიქმნება მექანიკურ მოძრაობად და პირიქით.
თერმოდინამიკის ძირითადი კანონები ჩამოყალიბდა მე-19 საუკუნის შუა ხანებში. მეცნიერება "მოძრაობა და სითბო" განიხილავს მთელი სისტემის ქცევას მთლიანობაში, სწავლობს მისი მაკროსკოპული პარამეტრების ცვლილებას - ტემპერატურას, წნევას და მოცულობას და ყურადღებას არ აქცევს მის მიკროსკოპულ სტრუქტურას. უფრო მეტიც, პირველი მათგანი ფუნდამენტურ როლს ასრულებს კანონების ფორმულირებაშითერმოდინამიკა ფიზიკაში. საინტერესოა აღინიშნოს, რომ ისინი მომდინარეობს მხოლოდ ექსპერიმენტული დაკვირვებებიდან.
თერმოდინამიკური სისტემის კონცეფცია
იგულისხმება ატომების, მოლეკულების ან სხვა ელემენტების ნებისმიერ ჯგუფს, რომლებიც განიხილება მთლიანობაში. სამივე კანონი ჩამოყალიბებულია ე.წ. თერმოდინამიკური სისტემისთვის. მაგალითებია: დედამიწის ატმოსფერო, ნებისმიერი ცოცხალი ორგანიზმი, გაზის ნარევი შიდა წვის ძრავში და ა.შ.
თერმოდინამიკის ყველა სისტემა მიეკუთვნება სამ ტიპს:
- გახსენით. ისინი ცვლიან როგორც სითბოს, ასევე მატერიას გარემოსთან. მაგალითად, თუ საჭმელი მზადდება ქვაბში ღია ცეცხლზე, მაშინ ეს არის ღია სისტემის ნათელი მაგალითი, რადგან ქვაბი ენერგიას იღებს გარე გარემოდან (ცეცხლი), ხოლო ის თავად ასხივებს ენერგიას სითბოს სახით. და წყალიც აორთქლდება მისგან (მეტაბოლიზმი).
- დახურულია. ასეთ სისტემებში არ ხდება მატერიის გაცვლა გარემოსთან, თუმცა ხდება ენერგიის გაცვლა. დავუბრუნდეთ წინა შემთხვევას: თუ ქვაბს თავსახური დააფარებთ, შეგიძლიათ მიიღოთ დახურული სისტემა.
- იზოლირებული. ეს არის ერთგვარი თერმოდინამიკური სისტემა, რომელიც არ ცვლის მატერიას ან ენერგიას მიმდებარე სივრცესთან. მაგალითი იქნება თერმოსი, რომელიც შეიცავს ცხელ ჩაის.
თერმოდინამიკური ტემპერატურა
ეს კონცეფცია ნიშნავს ნაწილაკების კინეტიკურ ენერგიას, რომლებიც ქმნიან მიმდებარე სხეულებს, რაც ასახავს სიჩქარესნაწილაკების შემთხვევითი მოძრაობა. რაც უფრო დიდია ის, მით უფრო მაღალია ტემპერატურა. შესაბამისად, სისტემის კინეტიკური ენერგიის შემცირებით ვაცივებთ მას.
ეს კონცეფცია ნიშნავს ნაწილაკების კინეტიკურ ენერგიას, რომლებიც ქმნიან მიმდებარე სხეულებს, რაც ასახავს ნაწილაკების ქაოტური მოძრაობის სიჩქარეს. რაც უფრო დიდია ის, მით უფრო მაღალია ტემპერატურა. შესაბამისად, სისტემის კინეტიკური ენერგიის შემცირებით ვაცივებთ მას.
თერმოდინამიკური ტემპერატურა გამოიხატება SI-ში (ერთეულების საერთაშორისო სისტემა) კელვინში (ბრიტანელი მეცნიერის უილიამ კელვინის პატივსაცემად, რომელმაც პირველად შემოგვთავაზა ეს მასშტაბი). თერმოდინამიკის პირველი, მეორე და მესამე კანონების გაგება შეუძლებელია ტემპერატურის განსაზღვრის გარეშე.
კელვინის შკალაზე ერთი ხარისხის გაყოფა ასევე შეესაბამება ცელსიუსის ერთ გრადუსს. ამ ერთეულებს შორის კონვერტაცია ხორციელდება ფორმულის მიხედვით: TK =TC + 273, 15, სადაც TK და TC - ტემპერატურა კელვინებში და გრადუს ცელსიუსში შესაბამისად.
კელვინის შკალის თავისებურება ის არის, რომ მას არ აქვს უარყოფითი მნიშვნელობები. მასში ნული (TC=-273, 15 oC) შეესაბამება მდგომარეობას, როდესაც სისტემის ნაწილაკების თერმული მოძრაობა სრულიად არ არის., როგორც ჩანს, ისინი "გაყინულია".
ენერგიის კონსერვაცია და თერმოდინამიკის 1 კანონი
1824 წელს, ნიკოლა ლეონარდ სადი კარნომ, ფრანგმა ინჟინერმა და ფიზიკოსმა, გაბედული წინადადება გასცა, რამაც არა მხოლოდ გამოიწვია ფიზიკის განვითარება, არამედ გახდა მნიშვნელოვანი ნაბიჯი ტექნოლოგიის გაუმჯობესებაში. მისიშეიძლება ჩამოყალიბდეს შემდეგნაირად: "ენერგიის შექმნა ან განადგურება შეუძლებელია, ის შეიძლება გადავიდეს მხოლოდ ერთი მდგომარეობიდან მეორეში."
სინამდვილეში, სადი კარნოს ფრაზა ამტკიცებს ენერგიის შენარჩუნების კანონს, რომელიც საფუძვლად დაედო თერმოდინამიკის 1 კანონს: „როდესაც სისტემა იღებს ენერგიას გარედან, ის გარდაქმნის მას სხვა ფორმებად, რაც მთავარია. რომლებიც თერმული და მექანიკურია."
1 კანონის მათემატიკური ფორმულა ასე იწერება:
Q=ΔU + A, აქ Q არის გარემოს მიერ სისტემაში გადაცემული სითბოს რაოდენობა, ΔU არის ამ სისტემის შიდა ენერგიის ცვლილება, A არის სრულყოფილი მექანიკური სამუშაო.
ადიაბატური პროცესები
მათი კარგი მაგალითია ჰაერის მასების მოძრაობა მთის ფერდობებზე. ასეთი მასები უზარმაზარია (კილომეტრი ან მეტი), ჰაერი კი შესანიშნავი სითბოს იზოლატორია. აღნიშნული თვისებები საშუალებას გვაძლევს განვიხილოთ ჰაერის მასებთან დაკავშირებული ნებისმიერი პროცესი, რომელიც ხდება მოკლე დროში, როგორც ადიაბატური. როდესაც ჰაერი მთის ფერდობზე ადის, მისი წნევა ეცემა, ფართოვდება, ანუ ასრულებს მექანიკურ მუშაობას და შედეგად ცივდება. პირიქით, ჰაერის მასის ქვევით მოძრაობას თან ახლავს მასში წნევის მატება, ის იკუმშება და ამის გამო ძალიან ცხელდება.
თერმოდინამიკის კანონის გამოყენება, რომელიც განხილული იყო წინა ქვესათაურში, ყველაზე მარტივად არის ნაჩვენები ადიაბატური პროცესის მაგალითის გამოყენებით.
დეფინიციის მიხედვით, ამის შედეგად არ ხდება ენერგიის გაცვლაგარემო, ანუ ზემოთ მოცემულ განტოლებაში Q=0. ეს იწვევს შემდეგ გამოხატვას: ΔU=-A. მინუს ნიშანი აქ ნიშნავს, რომ სისტემა ასრულებს მექანიკურ მუშაობას საკუთარი შინაგანი ენერგიის შემცირებით. უნდა გვახსოვდეს, რომ შიდა ენერგია პირდაპირ არის დამოკიდებული სისტემის ტემპერატურაზე.
თერმული პროცესების მიმართულება
ეს საკითხი ეხება თერმოდინამიკის მე-2 კანონს. რა თქმა უნდა, ყველამ შეამჩნია, რომ თუ ორი განსხვავებული ტემპერატურის მქონე ობიექტს დაუკავშირდებით, მაშინ ცივი ყოველთვის გაცხელდება, ცხელი კი გაცივდება. გაითვალისწინეთ, რომ საპირისპირო პროცესი შეიძლება მოხდეს თერმოდინამიკის პირველი კანონის ფარგლებში, მაგრამ ის არასოდეს განხორციელდება პრაქტიკაში.
ამ პროცესის (და სამყაროში არსებული ყველა ცნობილი პროცესის) შეუქცევადობის მიზეზი არის სისტემის გადასვლა უფრო სავარაუდო მდგომარეობაზე. განხილულ მაგალითში ორი განსხვავებული ტემპერატურის სხეულის კონტაქტთან, ყველაზე სავარაუდო მდგომარეობა იქნება ის, როდესაც სისტემის ყველა ნაწილაკს ექნება ერთი და იგივე კინეტიკური ენერგია.
თერმოდინამიკის მეორე კანონი შეიძლება ჩამოყალიბდეს შემდეგნაირად: "სითბო არასოდეს შეიძლება სპონტანურად გადაეცეს ცივი სხეულიდან ცხელში". თუ ენტროპიის ცნებას, როგორც უწესრიგობის საზომს შემოვიტანთ, მაშინ ის შეიძლება წარმოვიდგინოთ შემდეგნაირად: „ნებისმიერი თერმოდინამიკური პროცესი მიმდინარეობს ენტროპიის ზრდით“.
სითბოძრავა
ეს ტერმინი გაგებულია, როგორც სისტემა, რომელსაც გარე ენერგიის მიწოდების გამო შეუძლია მექანიკური სამუშაოს შესრულება. Პირველისითბოს ძრავები იყო ორთქლის ძრავები და გამოიგონეს მე-17 საუკუნის ბოლოს.
თერმოდინამიკის მეორე კანონი გადამწყვეტ როლს თამაშობს მათი ეფექტურობის განსაზღვრაში. სადი კარნომ ასევე დაადგინა, რომ ამ მოწყობილობის მაქსიმალური ეფექტურობაა: ეფექტურობა=(T2 - T1)/T2, აქ T2 და T1 არის გამათბობლის და მაცივრის ტემპერატურა. მექანიკური სამუშაო შეიძლება შესრულდეს მხოლოდ მაშინ, როდესაც სითბოს ნაკადი ხდება ცხელი სხეულიდან ცივში და ეს ნაკადი 100%-ით ვერ გარდაიქმნება სასარგებლო ენერგიად.
ქვემოთ მოყვანილი ფიგურა გვიჩვენებს სითბოს ძრავის მუშაობის პრინციპს (Qabs - მანქანაზე გადაცემული სითბო, Qced - სითბოს დაკარგვა, W - სასარგებლო სამუშაო, P და V - წნევა და გაზის მოცულობა დგუშში).
აბსოლუტური ნული და ნერნსტის პოსტულატი
დაბოლოს, გადავიდეთ თერმოდინამიკის მესამე კანონის განხილვაზე. მას ასევე უწოდებენ ნერნსტის პოსტულატს (გერმანელი ფიზიკოსის სახელი, რომელმაც იგი პირველად ჩამოაყალიბა მე-20 საუკუნის დასაწყისში). კანონი ამბობს: „აბსოლუტური ნულის მიღწევა შეუძლებელია სასრული რაოდენობის პროცესებით“. ანუ შეუძლებელია რაიმე გზით ნივთიერების მოლეკულების და ატომების მთლიანად „გაყინვა“. ამის მიზეზი არის მუდმივი არსებული სითბოს გაცვლა გარემოსთან.
თერმოდინამიკის მესამე კანონიდან გამოტანილი ერთი სასარგებლო დასკვნა არის ის, რომ ენტროპია მცირდება აბსოლუტური ნულისკენ გადაადგილებისას. ეს ნიშნავს, რომ სისტემა მიდრეკილია საკუთარი თავის ორგანიზებისკენ. ამ ფაქტს შეუძლიაგამოიყენეთ, მაგალითად, პარამაგნიტების ფერომაგნიტურ მდგომარეობაში გადასატანად გაგრილებისას.
საინტერესოა აღინიშნოს, რომ აქამდე მიღწეული ყველაზე დაბალი ტემპერატურაა 5·10−10 K (2003, MIT ლაბორატორია, აშშ).
