11. klassi füüsika konspekt: Termodünaamika alused (0)

11. klassi füüsika: Termodünaamika alused
1. Mis on termodünaamika (TD)?
Termodünaamiks on soojusnähtuste makrokäsitlus, nii et siin ei eeldata teadmisi molekulidest. Termodünaamika aluseks on kaks printsiipi : termodünaamika 1.printsiip väljendab energia jäävust ja 2.printsiip väljendab asjaolu, et kõik iseenesest kulgevad protsessid toimuvad kindlas suunas.
Neid printsiipe ei ole võimalik teoreetiliselt tõestada ega tuletada, nad on avastatud suure hulga vaatlus - ja katseandmete üldistamisel.
Termodünaamika kasutab tervet rida makroparameetreid:

Rõhk p

Ruumala V

Absoluutne temperatuur T

Keha mass m

Siseenergia U

Soojushulk Q
Soojusnähtuste koral muutub ühel või teisel viisil keha siseenergia. Konkreetse keha siseenergiat on väga raske või peaaegu võimatu määrata, kuid siseenergia muutu saab kindlaks teha küllalt lihtsalt.
Siseenergia muutmiseks tuntakse kahte viisi:

Soojusvahetus ehk soojusülekanne

Mehaaniline töö
Soojushulgaks nimetatakse siseenergia hulka, mis kandub ühelt kehalt teisele soojusvahetuses.
Termodünaamika on arenenud koos soojusmasinate leiutamisega - kõigis neis põletatakse kütust ja saadud energia arvel pannakse midagi töö tegemiseks liikuma (soojuse muundamine tööks).
2. Termodünaamika 1.printsiip
Termodünaamika süsteemiks nimetatakse kehade hulka, mis on omavahel soojusvahetuses.
Termodünaamilisele süsteemile antud soojushulk kulub süsteemi siseenergia suurendamiseks ja töök välisjõudude vastu.
Q=U+A, kus
Q-süsteemile antud soojushulk
U-süsteemi sisenergia muut
A-süsteemi töö välisjõudude vastu (paisumistöö)
Selle valemi põhjal on kerge näha: kui süsteem väljaspoolt energiat ei saa, siis võib ta tööd teha ainult siseenergia arvel. Kui siseenergia ammendub, siis edasi tööd teha pole võimalik.
3. Töö termodünaamikas
Kõige lihtsam termodünaamiline süsteem on mingis kinnises anumas olev gaas . Lihtsuse mõttes oletame, et selliseks anumaks on silinder , mille üheks põhjaks on liikuv kolb.
kolb
silinder
Gaas , S
Kui silindris olevat gaasi kuumutada isobaariliselt (rõhk ei muutu), siis gaas surub kolbi paremale, nii et gaasi ruumala suureneb.
Saab näidata, et jääval rõhul on gaasi paisumistöö järgmine
A=pV
A-gaasi paisumistöö (J)
p-gaasi rõhk (p= const )(Pa)
V-gaasi ruumala muut (m3)
4. Soojusmasin
Soojusmasinaks nimetatakse masinat, milles toimub kütuse siseenergia muundamine mehaaniliseks tööks. Soojusmasinad on näiteks sisepõlemismootorid, reaktiivmootorid , auru- ja gaasiturbiinid jne.
Igas soojusmasinas on järgmised põhiosad:

Soojendi – soojendina toimib kütuse põlemine.

Töötav keha – mingisugune gaasikogus, mis saab kuumenemise tõttu paisuda ja tööd teha.

Jahuti – jahutiga toimib ümbritsev atmosfääri õhk.
Selleks, et soojusmasin saaks kestvalt tööd teha, peab tema töö iseloom olema tsükliline.
Soojusmasina põhimõtteskeem on järgmine:
JAHUTI
TÖÖTAV
KEHA ehk GAAS
SOOJENDI
Q1-soojendilt saadud soojushulk
A-gaasi paisumistöö (soojusmasina töö)
Q2-jahutile antud soojushulk
Soojusmasina töö efektiivsust iseloomustatakse kasuteguriga. Kasutegur näitab, kui suure osa soojendilt saadud soojushulgast moodustab kasulikult tehtud töö.
η- eeta
η=
Kasutegurit väljendatakse protsentides. Energia jäävuse seaduse järgi
A=Q1-Q2
η=
5. Termodünaamika 2.printsiip
Looduses kõik iseenesest toimuvad protsessid kulgevad kindlas suunas. Loomulikult ei mõelda siin suunda ruumis. Termodünaamika 2.printsiibi sõnastusi on mitu erinevat. Nad on kõik samaväärsed, kuid toovad esile nähtuste erinevaid külgi näiteks:

Soojus ei saa iseenesest üle minna külmemalt kehalt kuumemale

Suletud süsteem püüab üle minna korrastatud olekult mittekorrastatule

Loodus püüab üle minna vähem tõenäolistelt olekutelt tõenäolisematele
Mida kõrgem on töötava keha temperatuur, seda kergem on selle keha siseenergiat ära kasutada ehk tööks muuta. Kvaliteetsemaks energiaks nimetatakse seda energiat, mis tuleb kõrgematemperatuurilisest reservuaarist. Termodünaamikas kasutatakse energia kvaliteedi kirjeldamiseks suurust, mida nimetatakse entroopiaks. Iga iseenesliku protsessi tulemusena suletud süsteemid energia kvaliteet langeb.
Entroopia on seda madalam, mida kõrgem on energia kvaliteet. Entroopia iseloomustab samuti süsteemi tasakaalulisust. Mida tasakaalulisem on süsteem, seda suurem on entroopia.
Entroopia mõiste abil sõnastatud termodünaamika 2.printsiip on: suletud süsteemis soojusliku protsessi tulemusena entroopia kasvab.
Millises olukorras on võimalik entroopia vähenemine? Vastavalt termodünaamika teisele printsiibile suletud süsteemis entroopia ei vähene. Selleks et entroopiat vähendada, tuleb teha tööd. Seega saab entroopia väheneda vaid avatud süsteemides.