מהי תרמודינמיקה?

תרמודינמיקה הינה ענף בפיסיקה הקלאסית, העוסק בחקר האנרגיה התמורות שהיא עוברת בין מופעים שונים שלה, והיכולת של אנרגיה לבצע עבודה.

התרמודינמיקה מנסה להבין ולנתח את התמורות והאנרגיות ה'נסתרות' בחומר, כגון חוֹם ואנטרופיה (ראה בהמשך). תמורות ואנרגיות אשר אי אפשר להבחין בהן או למדוד אותם בעזרת התצפיות המקרוסקופיות. בעזרת נתונים מעטים וכלים פשוטים מעניק ענף זה של הפיסיקה יכולת ניתוח מרשימה למערכות בהן הוא עוסק.

חוקי התרמודינמיקה:

לתרמודינמיקה שלושה חוקים מרכזיים:

חוק שימור האנרגיה- במערכת סגורה סך האנרגיה יישאר קבוע. אנרגיה לא נעלמת ולא נוצרת יש מאין.
מערכת תשאף תמיד לרמת האנטרופיה (אי-הסדר) הגבוהה ביותר, וכן לרמת האנרגיה הנמוכה ביותר. חוק זה בא לידי ביטוי בעיקר בריאקציות כימיות
בטמפרטורה של 0 מעלות קלוין -273.15) מעלות צלזיוס), האנטרופיה שווה לאפס.

אנטרופיה:

מושג האנטרופיה קשור למעבר חום, ולכן בתרמודינמיקה הקלאסית מוגדר רק השינוי δS בכמות האנטרופיה של מערכת, בעזרת כמות החום δQ שהמערכת מקבלת (או מאבדת, בהתאם לסימן), והטמפרטורה המוחלטת של המערכת T:
$\delta S = \frac{\delta Q}{T}$
אם החום עובר בין שתי מערכות באותה טמפרטורה, האנטרופיה שהמערכת אחת מוסרת היא אותה אנטרופיה שהמערכת השנייה מקבלת, והתהליך הוא הפיך (רברסבילי). אולם לרוב החום זורם ממערכת בטמפרטורה גבוהה T_h<, למערכת בטמפרטורה נמוכה T_l. לכן האנטרופיה שהמערכת בטמפרטורה הנמוכה מקבלת:
$\delta S_l = \frac{\delta Q}{T_l}$
גדולה מהאנטרופיה שהמערכת בטמפרטורה הגבוהה מאבדת:
$\delta S_h = \frac{\delta Q}{T_h}$
כלומר סה"כ האנטרופיה גדלה:
$\Delta S = \delta S_l - \delta S_h = \delta Q \left( \frac{1}{T_l}-\frac{1}{T_h} \right) >0$

זהו למעשה החוק השני של התרמודינמיקה, שקובע שסה"כ האנטרופיה במערכת מבודדת יכולה להשאר קבועה או לגדול. משמעותו של חוק זה היא שחום לא יכול לזרום באופן ספונטאני בין מערכת בטמפרטורה נמוכה למערכת בטמפרטורה גבוהה. הבנה יותר עמוקה של הסיבות לכך, כמו גם של מוסג האנטרופיה עצמו, הושגה רק עם פיתוח המכניקה הסטטיסטית. מושג האנטרופיה והחוק השני נותנים את ההגבלה על היעילות של מנוע חום, שניתנת על ידי חוק קרנו: מנוע חום מתמיר חום לעבודה, על ידי פעילות מחזורית. בסוף כל מחזור (או מעגל, כפי שנהוג לכנות בהקשר זה) המצב של המנוע עצמו חוזר לקדמותו בתחילת המחזור. במשך מחזור פעילות סך הכל חום בכמות Q_H זורם ממאגר חום חם אל המנוע, חלק ממנו מומר לעבודה W , והשאר,,Q_L זורם למאגר חום קר. כלומר:
$W = Q_H - Q_L \! \,$ .
יעילות המנוע, כלומר היחס בין החום שהושקע בו, לעבודה שהופקה ממנו נתונה על ידי:
$\eta = \frac{W}{Q_H} = \frac{Q_H - Q_L}{Q_H} = 1 - \frac{Q_L}{Q_H}$ .
אי אפשר להפוך את כל החום המתקבל מהמאגר החם לאנרגיה, כי כאשר זורם חום בכמות dQ, לתוך המנוע כאשר הטמפרטורה המוחלטת בו היא T, עולה בו גם כמות האנטרופיה לפי:
$dS=\frac{dQ}{T}$ .

לעומת זאת יציאת אנרגיה כעבודה לא יכולה לשנות את כמות האנטרופיה. אולם בסוף המחזור של המנוע, הוא צריך לחזור למצבו ההתחלתי, גם מבחינת כמות האנטרופיה. לכן חייב לזרום חום למאגר הקר, בשביל להוריד את האנטרופיה במנוע. בגלל שככל שהטמפרטורה יותר נמוכה אפשר לקבל את אותו שינוי באנטרופיה בעזרת כמות חום קטנה יותר, נוצר הפרש שאותו ניתן לנצל לעבודה.

מאמר זה מכיל קטעים מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית.לפיכך, מאמר זה נמצא תחת הרשיון החופשי GNU Free Documentation License
לפרטים נוספים, ראה את הצהרת זכויות היוצרים

מה קשור?

מהי תורת היחסות?
מהם עקרונות תורת היחסות הפרטית?
מהי תורת הקוונטים?
מהי הפיזיקה של החלקיקים?
חוקי פיזיקה

לא נמצאו הערות.