Termodinamika adalah cabang penting fisika. Kita dapat dengan aman mengatakan bahwa pencapaiannya telah menyebabkan munculnya era teknologi dan sangat menentukan jalannya sejarah manusia selama 300 tahun terakhir. Artikel ini membahas tentang hukum termodinamika pertama, kedua dan ketiga serta penerapannya dalam praktik.
Apa itu termodinamika?
Sebelum merumuskan hukum termodinamika, mari kita cari tahu apa yang dilakukan bagian fisika ini.
Kata "termodinamika" berasal dari bahasa Yunani dan berarti "gerakan karena panas". Artinya, cabang fisika ini terlibat dalam studi tentang proses apa pun, sebagai akibatnya energi panas diubah menjadi gerakan mekanis dan sebaliknya.
Hukum dasar termodinamika dirumuskan pada pertengahan abad ke-19. Ilmu "gerakan dan panas" mempertimbangkan perilaku seluruh sistem secara keseluruhan, mempelajari perubahan parameter makroskopiknya - suhu, tekanan dan volume, dan tidak memperhatikan struktur mikroskopisnya. Selain itu, yang pertama memainkan peran mendasar dalam perumusan undang-undangtermodinamika dalam fisika. Menarik untuk dicatat bahwa mereka hanya berasal dari pengamatan eksperimental.
Konsep sistem termodinamika
Artinya setiap kelompok atom, molekul, atau elemen lain yang dianggap sebagai satu kesatuan. Ketiga hukum dirumuskan untuk apa yang disebut sistem termodinamika. Contohnya adalah: atmosfer bumi, organisme hidup apa pun, campuran gas dalam mesin pembakaran internal, dll.
Semua sistem dalam termodinamika termasuk salah satu dari tiga jenis:
- Buka. Mereka bertukar panas dan materi dengan lingkungan. Misalnya, jika makanan dimasak dalam panci di atas api terbuka, maka ini adalah contoh nyata dari sistem terbuka, karena panci menerima energi dari lingkungan eksternal (api), sementara itu sendiri memancarkan energi dalam bentuk panas, dan air juga menguap darinya (metabolisme).
- Tutup. Dalam sistem seperti itu tidak ada pertukaran materi dengan lingkungan, meskipun pertukaran energi terjadi. Kembali ke kasus sebelumnya: jika Anda menutup ketel dengan penutup, Anda bisa mendapatkan sistem tertutup.
- Terisolasi. Ini adalah jenis sistem termodinamika yang tidak bertukar materi atau energi dengan ruang sekitarnya. Contohnya adalah termos berisi teh panas.
Suhu termodinamika
Konsep ini berarti energi kinetik partikel yang membentuk benda di sekitarnya, yang mencerminkan kecepatanpergerakan partikel secara acak. Semakin besar, semakin tinggi suhunya. Oleh karena itu, dengan mengurangi energi kinetik sistem, kita mendinginkannya.
Konsep ini berarti energi kinetik partikel yang membentuk benda di sekitarnya, yang mencerminkan kecepatan pergerakan partikel yang kacau. Semakin besar, semakin tinggi suhunya. Oleh karena itu, dengan mengurangi energi kinetik sistem, kita mendinginkannya.
Suhu termodinamika dinyatakan dalam SI (Sistem Satuan Internasional) dalam Kelvin (untuk menghormati ilmuwan Inggris William Kelvin, yang pertama kali mengusulkan skala ini). Memahami hukum termodinamika pertama, kedua dan ketiga tidak mungkin tanpa definisi suhu.
Pembagian satu derajat pada skala Kelvin juga sama dengan satu derajat Celcius. Konversi antar satuan ini dilakukan dengan rumus: TK =TC + 273, 15, dimana TK dan TC - suhu masing-masing dalam kelvin dan derajat Celcius.
Keunikan skala Kelvin adalah tidak memiliki nilai negatif. Nol di dalamnya (TC=-273, 15 oC) sesuai dengan keadaan ketika gerakan termal partikel sistem sama sekali tidak ada, mereka tampak "beku".
Kekekalan energi dan hukum 1 termodinamika
Pada tahun 1824, Nicolas Léonard Sadi Carnot, seorang insinyur dan fisikawan Prancis, membuat saran berani yang tidak hanya mengarah pada pengembangan fisika, tetapi juga menjadi langkah besar dalam peningkatan teknologi. Miliknyadapat dirumuskan sebagai berikut: "Energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan, hanya dapat dipindahkan dari satu keadaan ke keadaan lain."
Faktanya, ungkapan Sadi Carnot mendalilkan hukum kekekalan energi, yang menjadi dasar hukum pertama termodinamika: "Setiap kali suatu sistem menerima energi dari luar, ia mengubahnya menjadi bentuk lain, yang termal dan mekanik."
Rumus matematika untuk hukum ke-1 ditulis sebagai berikut:
Q=U + A, di sini Q adalah jumlah kalor yang dipindahkan oleh lingkungan ke sistem, U adalah perubahan energi internal sistem ini, A adalah kerja mekanik sempurna.
proses adiabatik
Contoh bagusnya adalah pergerakan massa udara di sepanjang lereng gunung. Massa seperti itu sangat besar (kilometer atau lebih), dan udara adalah isolator panas yang sangat baik. Sifat-sifat yang dicatat memungkinkan kita untuk mempertimbangkan setiap proses dengan massa udara yang terjadi dalam waktu singkat sebagai adiabatik. Ketika udara naik ke lereng gunung, tekanannya turun, ia mengembang, yaitu, ia melakukan pekerjaan mekanis, dan sebagai hasilnya, ia mendingin. Sebaliknya, gerakan massa udara ke bawah disertai dengan peningkatan tekanan di dalamnya, ia memampatkan dan, karenanya, menjadi sangat panas.
Penerapan hukum termodinamika, yang telah dibahas pada subpos sebelumnya, paling mudah ditunjukkan dengan menggunakan contoh proses adiabatik.
Menurut definisi, akibatnya tidak ada pertukaran energi denganlingkungan, yaitu, dalam persamaan di atas, Q=0. Ini mengarah ke ekspresi berikut: U=-A. Tanda minus di sini berarti bahwa sistem melakukan kerja mekanis dengan mengurangi energi internalnya sendiri. Harus diingat bahwa energi internal secara langsung bergantung pada suhu sistem.
Arah proses termal
Masalah ini berkaitan dengan hukum ke-2 termodinamika. Tentunya semua orang memperhatikan bahwa jika Anda membawa dua benda dengan suhu yang berbeda ke dalam kontak, maka yang dingin akan selalu memanas, dan yang panas akan mendingin. Perhatikan bahwa proses sebaliknya dapat terjadi dalam kerangka hukum pertama termodinamika, tetapi tidak pernah diterapkan dalam praktik.
Alasan ireversibilitas proses ini (dan semua proses yang diketahui di Semesta) adalah transisi sistem ke keadaan yang lebih memungkinkan. Dalam contoh yang dipertimbangkan dengan kontak dua benda dengan suhu yang berbeda, keadaan yang paling mungkin adalah keadaan di mana semua partikel dari sistem akan memiliki energi kinetik yang sama.
Hukum kedua termodinamika dapat dirumuskan sebagai berikut: "Panas tidak pernah dapat berpindah secara spontan dari benda dingin ke benda panas." Jika kita memperkenalkan konsep entropi sebagai ukuran ketidakteraturan, maka dapat direpresentasikan sebagai berikut: "Setiap proses termodinamika berlangsung dengan peningkatan entropi".
Mesin panas
Istilah ini dipahami sebagai sistem yang, karena pasokan energi eksternal, dapat melakukan kerja mekanis. Pertamamesin panas adalah mesin uap dan ditemukan pada akhir abad ke-17.
Hukum kedua termodinamika memainkan peran yang menentukan dalam menentukan efektivitasnya. Sadi Carnot juga menetapkan bahwa efisiensi maksimum perangkat ini adalah: Efisiensi=(T2 - T1)/T2, di sini T2 dan T1 adalah suhu pemanas dan kulkas. Kerja mekanis hanya dapat dilakukan bila ada aliran panas dari benda panas ke benda dingin, dan aliran ini tidak dapat diubah 100% menjadi energi yang berguna.
Gambar di bawah menunjukkan prinsip pengoperasian mesin kalor (Qabs - kalor yang dipindahkan ke mesin, Qced - kehilangan panas, W - kerja yang berguna, P dan V - tekanan dan volume gas dalam piston).
Nol mutlak dan postulat Nernst
Akhirnya, mari kita beralih ke pembahasan hukum ketiga termodinamika. Ini juga disebut postulat Nernst (nama fisikawan Jerman yang pertama kali merumuskannya pada awal abad ke-20). Hukum mengatakan: "Nol mutlak tidak dapat dicapai dengan jumlah proses yang terbatas." Artinya, tidak mungkin dengan cara apa pun untuk sepenuhnya "membekukan" molekul dan atom suatu zat. Alasan untuk ini adalah pertukaran panas yang konstan dengan lingkungan.
Satu kesimpulan berguna yang ditarik dari hukum ketiga termodinamika adalah bahwa entropi berkurang saat seseorang bergerak menuju nol mutlak. Ini berarti bahwa sistem cenderung mengatur dirinya sendiri. Fakta ini bisagunakan, misalnya, untuk mentransfer paramagnet ke keadaan feromagnetik saat didinginkan.
Sangat menarik untuk dicatat bahwa suhu terendah yang telah dicapai sejauh ini adalah 5·10−10 K (2003, MIT Laboratory, USA).
