Termodinamiko: Malsamoj inter versioj
| [kontrolita revizio] | [nekontrolita versio] |
Enhavo forigita Enhavo aldonita
e r2.7.1) (robota aldono de: hif:Thermodynamics |
Neniu resumo de redakto |
||
Linio 1:
Gravan parton de la termodinamiko konsistigas la
Tiaj [[maŝino]]j estas la [[vapormaŝino]], la [[gasturbino]] kaj la [[eksplodmotoro]] (ekz. [[karbura motoro]] aŭ [[dizela motoro]]).
Ĉar [[kemio|kemia]] energio ĝenerale estas facile transformebla al [[varmeca energio]] (ĉiuj [[energiformo]]j strebas al ĝi), la [[transformo]] de [[kemia energio]] al mekanika aŭ [[elektro|elektra energio]] ofte pasas tra varmeca energio, tamen ne necese.
== Historio ==
La termodinamiko estas kreita precipe dum la [[19-a jarcento]]; gravaj reprezentantoj de ĝi estis la fizikistoj [[James Prescott Joule]], [[Nicolas Léonard Sadi Carnot]], [[William Thomson]] ([[Kelvino]]), [[Willard Gibbs]], [[Julius Robert Von Mayer]] kaj [[Hermann von Helmholtz]].▼
[[Image:Eight founding schools.png|thumb|400px|Ok famaj termodinamikistoj.]]
▲La termodinamiko
La termodinamiko priskribas multajn gravajn procezojn sur [[makroskala nivelo]], pere de la ecoj ''[[premo]]'', ''[[volumeno]]'', ''[[temperaturo]]'' kaj [[entropio]].
La termodinamiko ne okupiĝas pri la mikrosopaj strukturoj de la materio. Tamen la [[statistika mekaniko]], kiu ja okupiĝas pri la mikroskopaj strukturoj, surbaze de [[mikroskopa fiziko]] konfirmas la [[aksiomo]]jn de termodinamiko, almenaŭ laŭ ia statistika senso.
== Konceptoj ==
== [[Nula leĝo de termodinamiko]] ==▼
=== Termodinamika procezo, laboro, kaj varmo ===
'''Termodinamika sistemo''' havas makroskope mezureblajn kvantajn propraĵojn: ekz., [[volumeno]] <math>V</math>, [[premo]] <math>P</math>, [[magneta kampo]] <math>H</math>. '''Termodinamika procezo''' ŝanĝas tiajn propraĵojn laŭ difinita maniero. (Termodinamika) '''maŝino''' estas cikla termodinamika procezo: la komenca stato egalas la fina stato (makroskope).
Laŭ termodinamika procezo, sistemo '''faras [[laboro (fiziko)|laboro]]n''' <math>W</math>. Ekzemple: se la sistemo infinitezime grandiĝas je <math>\operatorname d\!V</math> da volumenon ĉe premo <math>P</math>, ĝi faras infiniteziman laboron
:<math>\operatorname d\!W=P\operatorname d\!V</math>.
Sistemo povas fari negativan kvanton de laboron; en tia situacio oni diris ke "laboro estas farita de la sistemo".
Alia procezo estas '''transporto de [[varmo]]''', kiu estas transporto de mikroskopa formo de energio. En tia procezo, sistemo ne faras (makroskopan) laboron. Sistemo povas varmiĝi aŭ malvarmiĝi; oni povas varmigi sistemon per elspezo de energio (ekz., brulado de karbo), aŭ malvarmigi sistemo per enspezo de energio (ekz., kun glacio, kiu fandas kaj gajnas energion).
Procezo estas aŭ '''inversigebla''' aŭ '''neinversigebla'''. Procezo estas '''[[izovarma procezo|adiabata]]''' se ĝi estas inversigebla kaj ne transportas varmon.
== [[Unua leĝo de termodinamiko]] ==▼
=== Termika ekvilibro kaj la nula leĝo de termodinamiko ===
Du sistemoj en kontakto povas interŝanĝi varmon. Kiam sufiĉa tempo pasas, la neta varmo interŝanĝita nulas. Do oni diras ke la du sistemoj estas en '''termika ekvilibro'''.
La '''[[nula leĝo de termodinamiko]]''' asertas ke la termika ekvilibro estas [[transitiveco|transitiva]] — alivorte, se sistemoj <math>A</math> kaj <math>B</math> estas en termika ekvilibro kaj sistemoj <math>B</math> kaj <math>C</math> estas en termika ekvilibro, do <math>A</math> kaj <math>B</math> estas ankaŭ en termika ekvilibro. (Tiu aksiomon oni povas derivi laŭ [[statistika mekaniko]] el la koncepto de [[entropio]].)
Se, kiam sistemo <math>A</math> kaj <math>B</math> estas en kontakto, varmo portiĝas el <math>A</math> al <math>B</math> nete ĝis termika ekvilibro, do oni diras ke <math>A</math> estis pli varma ol <math>B</math> (ĉe komenco). La koncepto de termika ekvilibro tiel onin ebligas kompari sistemojn laŭ ia "varmeco", sed ne difinas kvante skalo aŭ mezuro de tia "varmeco" (k.e., temperaturo).
▲== [[Dua leĝo de termodinamiko]] ==
(Termika) '''rezervujo''' estas sistemo grandega tiome ke ĝia "varmeco" ne estas ŝanĝita de kontakto kun iu ajn finia sistemo — pli precize, se komence du rezervujojn <math>R</math> kaj <math>R'</math> ekzistas tia ke <math>R</math> kaj <math>R'</math> estus en termika ekvilibro se ilin kontaktigus, kaj se <math>R</math> estas kontaktigita kun iu ajn sistemo <math>S</math> kaj atingas termika ekvilibro kun <math>S</math>, do post tio <math>R</math> kaj <math>R'</math> estus ankoraŭ en termika ekvilibro se ilin kontaktigus. Klare, la koncepto de rezervujo estas idealo — fizike ne ekzistas sistemo tiele nefinie granda — sed estas konvena nocio: efektive rezervujo estas sistemo pli grandega ol ĉiuj ajn aliaj sistemoj kiujn oni konsideras.
Procezo estas '''[[izotemperatura procezo|izotemperatura]]''' se ĝi ne ŝanĝas la "varmecon", k.e., se komence <math>A</math> kaj <math>B</math> estis en termika ekvilibro kaj <math>A</math> suferas izotemperaturan procezon, <math>A</math> restas en termika ekvilibro kun <math>B</math>.
<math>dS = \frac{\delta Q}{T}</math>▼
Ekzistas kvanto, la '''interna [[energio]]''' <math>U</math> de la sistemo, kiu estas funkcio sole de la estanta stato de la sistemo ('''stata funkcio''') tia ke, kiam sistemo faras laboron <math>\delta W</math> kaj absorbas varmon <math>\delta Q</math>, la ŝanĝo <math>\operatorname d\!U</math> de la interna energio estas:
:<math>\operatorname d\!U=\delta Q-\delta W</math>.
Tiu ĉi estas la [[unua leĝo de termodinamiko]]; esence, tiu ĉi leĝo estas reesprimo de la leĝo de konserviĝo de energio.
Tio signifas ke [[energio]] ([[laboro]] aŭ [[varmo]]) ne produktiĝas el nenio. Ne ekzistas [[eterna movilo]] de la unua speco, kiu laboras sen brulaĵo.
Ekzistas du ekvivalentaj vortigoj de la [[dua leĝo de termodinamiko]]. La vortigo laŭ [[William Thomson|Lordo Kelvin]] asertas ke:
:Ne ekzistas maŝino kiu ĉerpas varmon el rezervujo kaj ĝin konvertas al laboro.
La vortigo laŭ [[Rudolf Clausius]] asertas ke:
:Ne ekzistas maŝino kiu ĉerpas varmon el rezervujo <math>R_2</math> kaj tute ĝin transportas al rezervujo <math>R_1</math> pli varma ol <math>R_2</math>.
La du vortigoj estas ekvivalentaj:
* Supozu ke la vortigo de Kelvin ne veras. Do konvertu varmon el rezervujo <math>R_2</math> al laboron kaj uzu la laboron varmi rezervujo <math>R_1</math>. Tial la vortigo de Clausius ne veras.
* Supozu ke la vortigo de Clausius ne veras. Unue, transportu varmo <math>Q</math> el rezervujo <math>R_2</math> al la pli varma rezervujo <math>R_1</math>. Due, uzu maŝinon (ekz. la [[ciklo de Carnot|maŝino de Carnot]]) ĉerpi varmon <math>Q</math> el <math>R_1</math>, konverti parton de varmo al laboron, kaj forĵeti la ceteron al la pli malvarma rezervujo <math>R</math>. Efektive tiu procezo konvertas varmon el <math>R</math> al laboro. Tial la vortigo de Kelvin ne veras.
'''[[ciklo de Carnot|Maŝino de Carnot]]''' estas inversigebla maŝino inter rezervujojn <math>R_1</math> kaj <math>R_2</math> (kiu estas pli malvarma ol <math>R</math>), kio:
# izotemperature varmiĝas el <math>R_1</math>, enprenante varmon <math>Q_1</math>;
# adiabate laboras;
# izotemperature varmas <math>R_2</math>, elprenante varmon <math>Q_2</math>;
# adiabate estas laborita reen al la komenca stato.
Uzante la maŝinon de Carnot oni povas difini la '''[[temperaturo]]n''' jene: la rilatumon inter la temperaturo <math>T_1</math> de <math>R_1</math> al la temperaturo <math>T_2</math> de <math>R_2</math> egalas la rilatumon inter <math>Q_1</math> kaj <math>Q_2</math>. Alivorte,
:<math>T_1/T_2=Q_1/Q_2</math>.
Tiu ĉi difinas temperaturon ĝis arbitra multiplika faktoro. La [[statistika mekaniko]] donas tiu ĉi faktoro, la [[konstanto de Boltzmann]] <math>k</math>, sed tiu ĉi ne estas derivebla el termodinamiko. Tiu ĉi difino estas far [[William Thomson|Kelvin]] en 1848.<ref>J Uffink, [http://www.projects.science.uu.nl/igg/jos/publications/dresden.pdf "Irreversibility and the second law of
thermodynamics"], en pp. 121--146, ''Entropy'' , A. Greven, G. Keller and G. Warnecke (red.), Princeton N.J.: Princeton University Press, 2003. (p. 6 en la PDF-dokumento).</ref>
=== Ekvacio de stato kaj temperaturo ===
Termodinamika sistemo sekvas ia rilaton, la '''ekvacio de stato''', inter ĝia temperaturo kaj premo, volumeno, ktp.: ĝenerale
:<math>f(P,V,T)=0</math>
por iu funkcio <math>f</math>. Ekzemple, [[ideala gaso]] sekvas la ekvacion de stato
:<math>PV=nRT</math>,
kie <math>n</math> estas la nombro de [[molo]]j de partikloj.
==== Teoremo de Carnot ====
La '''efiko''' <math>\eta</math> de maŝino kiu elprenas varmon <math>Q_1</math> el rezervujo <math>R_1</math>, faras laboron <math>W</math>, kaj alprenas varmon <math>Q_2</math> al rezervujo <math>R_2</math> (kiu devas esti pli malvarma ol <math>R_1</math> laŭ la dua leĝo) estas
:<math>\eta=W/Q_1=1-Q_2/Q_1</math>
(ĉar <math>W=Q_1-Q_2</math> laŭ la unua leĝo). El la difino de temperaturo, maŝino de Carnot havas efiko <math>\eta=1-T_2/T_1</math>.
Laŭ la '''teoremo de Carnot''', pruvita per la dua leĝo, maŝino de Carnot havas fundamentan gravecon: ĝi estas la plej efika maŝino.
==== Entropio kaj la Teoremo de Clausius ====
Laŭ '''teoremo de Clausius''', pruvita per la dua leĝo, ĉiu ajn maŝino (cikla termodinamika procezo) <math>\mathcal P</math> verigas la jenan malegalaĵo:
La kvanto nulas ekzakte se la procezo estas inversigebla. Oni povas difini, do, la statan funkcion <math>S</math>, la '''[[entropio]]n''', tia ke
:<math>\operatorname dS=\delta Q/T</math>
ĝis iu adicia konstanto. Do la teoremo de Clausius fariĝas:
:<math>\Delta S\ge0</math>.
Alivorte, la entropio konserviĝas laŭ inversigebla procezo kaj konserviĝas aŭ kreskas laŭ neinversigebla procezo.
== Tria leĝo de termodinamiko ==
== Notoj ==
▲Ĝi deklaras la [[neeblo]]n, ke iu sistemo atingu la temperaturon de [[absoluta nulo]] (0 [[Kelvino|K]]).
<references/>
== Referencoj ==
* K Huang, ''Statistical mechanics'' (statistika mekaniko), 2a eld., Wiley, 1987. ISBN 0471815187
* F Reif, ''Fundamentals of statistical and thermal physics'' (fundamento de statistika kaj termika fiziko), Waveland Press, 2008. ISBN 1577666127
* RK Pathria, ''Statistical mechanics'' (statistika mekaniko), 2a eld., Butterworth-Heinemann, 1996. ISBN 0750624698
* DV Schroeder, ''An introduction to thermal physics'' (enkonduko al termika fiziko), Addison-Wesley, 1999. ISBN 0201380277
{{projektoj
| |||