Secțiunea de fizică care studiază fenomenele termice în domeniul macrobodinelor în ceea ce privește procesele de conversie reciprocă a căldurii și a altor forme de energie care au loc în ele se numește termodinamică. Termodinamica nu se referă la microprocesele care stau la baza acestor transformări. Această metodă termodinamică de investigare a fenomenelor diferă de metoda moleculară-cinetică sau statistică considerată mai sus.
Organismul sau organismele pluralitate izolate în mod convențional din mediul pentru procesele de examinare mai convenabile care apar în ele, care pot comunica între ele și cu mediul și energia substanță externă numit sistem termodinamic. Termodinamica clasică consideră în principal sisteme izolate, adică Sisteme care nu schimbă energia cu mediul. În condiții ambiante constante într-un sistem închis, o stare de echilibru, în care parametrii sistemului macro (temperatură, presiune, volum) rămâne constantă atâta timp cât se dorește. De exemplu, un gaz într-un vas închis, cu un volum constant și o presiune și temperatură distribuite uniform, poate menține această stare atât timp cât se dorește; lichidul într-un vas închis la o temperatură constantă menține o stare de echilibru cu vapori saturați formați deasupra suprafeței acestuia. Sistemul izolat, care este într-o stare de neechilibru, trece în mod spontan într-o stare de echilibru. Trecerea unui sistem de la o stare la alta are loc printr-o serie de stări intermediare și se numește un proces termodinamic. De exemplu, dacă la începutul temperaturii și presiunii în volumul de gaz a fost distribuit uniform, apoi în timp, ei egalizată de sine arbitrar în toate părțile sale componente. Procesul asta
poate curge spontan atât în direcția înainte cât și în cea inversă, se numește reversibil. Un proces reversibil constă într-o serie de stări de echilibru. Un astfel de proces este ideal. Procesele care se apropie de el se desfășoară atât de încet încât fiecare dintre statele intermediare are timp să se apropie de echilibru suficient. Aceste procese se numesc procese quasistatice și, de exemplu, pot fi atribuite toate procesele care se produc încet, de comprimare, extindere, încălzire și răcire a unui gaz. Ireversibil este un proces în care cel puțin o stare intermediară nu este în echilibru și procesul nu poate fi realizat în direcția opusă prin aceleași stări intermediare. Ireversibile sunt, de exemplu, procese rapide de comprimare, expansiune, încălzire și răcire a gazului. Prin natura lor, procesele ireversibile sunt extinderea gazului în vid înalt, difuzia reciprocă a gazelor (sau a oricăror substanțe), transferul de căldură prin conducerea căldurii și altele.
În inima termodinamicii se află două legi (istoric numite începuturi), în care, ca și legea conservării energiei, s-au rezumat experiența veche de omenire a activității de muncă a omului. Primul principiu stabilește relațiile cantitative în conversia căldurii în lucrări mecanice (sau alte tipuri de energie). Al doilea principiu indică direcția proceselor corespunzătoare. Prima lege a termodinamicii este scrisă într-o formă diferențială: și se citește: cantitatea de căldură transferată în sistem merge la schimbarea energiei sale interne și la munca făcută de sistem împotriva forțelor externe. Prima lege a termodinamicii este în esență o lege a conservării și transformării energiei pentru procesul termodinamic. Energia internă a unui corp (sistem) este energia unui anumit corp (sistem), în funcție de starea sa internă. Din punct de vedere molecular-cinetic, energia internă este determinată de suma energiei cinetice a moleculelor individuale și energia interacțiunii dintre ele. Schimbarea dU energetic intern este independentă de proces și este determinată de parametrii stărilor inițiale și finale; dimpotrivă, și depind de procesul de tranziție de la starea inițială la starea finală.
Se determină munca completă A, efectuată de gaz (sistem)
prin integrare :. Rezultatul integrării va fi
depind de natura relației dintre presiune și volumul gazului. Există patru procese principale de schimbare a stării unui gaz ideal: isochoric, izobaric, izotermic și adiabatic.
Legea conservării energiei stabilește interconversia diverselor sale tipuri, dar nu indică dacă există o direcție preferențială. Experiența arată că în procesele naturale există o astfel de orientare. De exemplu, orice tip de energie se poate transfera spontan și complet în căldură, în timp ce căldura poate fi transformată în alte tipuri de energie numai cu ajutorul mașinilor, aparatelor, dacă există schimbări corespunzătoare în corpurile din jur, și totuși nu complet, deoarece procesul de transformare este asociat cu pierderile inevitabile ale unei părți a căldurii care este transmisă corpurilor din jur. În timpul schimbului de căldură, căldura trece în mod spontan numai de la corpuri cu o temperatură mai mare la corpuri cu o temperatură mai scăzută (a doua lege a termodinamicii). Pentru a face trecerea căldurii dintr-un corp mai puțin încălzit într-unul mai cald, ca în cazul frigiderelor, de exemplu, sunt necesare procese destul de complexe, pentru care trebuie consumată energie suplimentară.
Un aparat termic este un dispozitiv în care. energia internă a combustibilului este transformată în muncă mecanică.
Având în vedere a doua lege a termodinamicii, poate fi reprezentată o mașină schematică de răcire și termică, așa cum se arată în Fig. 1 pentru>.
Un exemplu de mașini termice sunt instalațiile în termocentrale, unde energia internă a petrolului, cărbunelui și gazului este transformată în muncă mecanică, care generează energie electrică. În calitate de acumulatori termici (medii de transfer termic), schimbul de căldură utilizează un cuptor de cărămidă sau de piatră, apă încălzită, nisip încălzit și alte substanțe.
Experiența arată, de asemenea, că este mai mare temperatura relativ la temperatura lichidului de răcire a corpului corpurile din jur, mai ușor și cu mai puține pierderi pot fi transformate conținute în acesta căldură în alte forme de energie, precum și eficiența motoarelor termice factor poate fi exprimat astfel: că pentru un proces termodinamic ideală în ciclul Carnot va fi: unde - temperatura încălzitorului și - temperatura frigiderului motorului termic. Este de asemenea cunoscut faptul că, practic, nu pot fi transformate în alte forme de energie termică (Distributed împrăștiate) între corpurile cu o uniformă, temperatură relativ scăzută. Căldura este disipată inutil uman, cum ar fi cantitatea imensă de căldură care conține apă a mărilor și oceanelor, la o temperatură de numai puțin diferită de temperatura organelor din jur. Pentru gradul „utilitatea“ Caracteristici-istics de căldură în acest sens, precum și co-cantitativ evalua pierderile inevitabile în conversia căldurii conținute în corpul de sistem, de lucru sau alte tipuri de cantitate consumul de energie. numita entropie.
Schimbarea entropiei determină reversibilitatea sau ireversibilitatea proceselor care au loc într-un sistem izolat. Deci, nu cantitatea de căldură și entropia rămâne neschimbat în procesele reversibile într-un sistem izolat: = const și = 0. Toate procesele reale din gazele care apar destul de repede, să nu mai vorbim de toate procesele termodinamice ale pierderii de energie este ireversibilă și, prin urmare, continua cu o creștere a entropiei:> 0.
Astfel, entropia poate fi privită ca o măsură a probabilității unei stări a unui sistem termodinamic, iar o creștere a entropiei înseamnă tranziția unui sistem de la stări mai puțin probabile la cele mai probabile.
Primele două începuturi ale termodinamicii nu oferă informații suficiente
privind comportamentul sistemelor termodinamice la zero Kelvin. Ele sunt completate de a treia lege a termodinamicii sau teorema lui Nernst-Planck: entropia tuturor corpurilor într-o stare de echilibru tinde la zero, deoarece temperatura se apropie de zero de la Kelvin
Transferul energiei interne de la un corp la altul fără a efectua o muncă se numește transfer de căldură (sau schimb de căldură). Transferul de căldură se realizează prin procese care se produc la nivel molecular, în special prin conducerea termică și prin radiația termică. Transferul de căldură prin conducție are loc între corpuri - solide, lichide sau gazoase, identice sau diferite natură, prin contact direct sau prin orice mediu-ing intermediar, dar nu printr-un vid în care nu particule. Acest fenomen în natură este la fel de universal ca și mișcările termice ale particulelor. Transferul căldurii prin conductivitate termică respectă legea Fourier: cantitatea de căldură care trece prin intervale de timp. prin interiorul tamponului corpului. perpendicular pe direcția de propagare a căldurii, este proporțională cu timpul. zonă și temperatură, de-a lungul direcției considerate:
unde este coeficientul de conductivitate termică.
Conductivitatea termică a diferitelor substanțe diferă într-un domeniu foarte larg. Conductivitatea cea mai scăzută a căldurii se datorează gazelor, în special aerului. Substanțele cu conductivitate termică scăzută sunt numite termoizolante. Acestea includ, în principal, substanțe poroase care conțin aer (plută, lână, pâslă etc.) Conductivitatea termică a țesuturilor corpului uman este diferită. În părțile lichide ale corpului (lichid de țesut, plasmă de sânge etc.) se află în apropierea conductivității termice a apei. Conductivitatea termică a țesuturilor dense este mult mai scăzută, în special în țesutul adipos și în stratul excesiv exterior al pielii. Pielea și țesutul gras subcutanat sunt un strat izolant pentru organism.
Mai jos sunt valorile coeficienților de conductivitate termică pentru temperatura camerei în W / (m K): aer -; azot;
oxigen -; dioxid de carbon -; hârtie -; lemn -0,6; caramida - 0,7; cupru - 391; aluminiu - 209; argint - 418,7.
Transferul de căldură prin conductivitatea termică în mediu lichid și gazos este puternic accelerat prin mișcarea reciprocă (amestecarea) maselor încălzite și reci ale mediului. Acest fenomen se numește transfer de căldură în timpul convecției. Când convecția naturală a mișcării relative medii între particule se produce datorită densități diferite: particulele încălzite sunt mai ușor de ridicat, chiuveta rece în locul lor. Transferul de căldură în timpul convecției este un fenomen foarte frecvent în natură și este, de asemenea, utilizat pe scară largă de către om în diverse dispozitive de uz casnic. Prin convecție, de exemplu, este accelerat considerabil vasul de gătit la încălzire cu o singură față, temperatura este aliniată în spațiile încălzite cu cuptoare sau radiatoare de încălzire centrală. Convecția forțată sau circulația apei este utilizată în dispozitivul de încălzire centrală a apei din case și altele.
Transferul de căldură prin radiație poate să apară atât printr-un mediu real intermediar, în cazul în care este transparent la radiații, cât și printr-un vid. Radiația termică este inerentă tuturor corpurilor fără excepție și are loc la temperaturi diferite de zero absolută, în conformitate cu legea lui Planck.