Termodünaamika (0)

Siseenergiaks nimetatakse keha molekulide kineetilise ja potentsiaalse energia summat . Siseenergia levimist ühelt kehalt teisele nimetatakse soojusülekandeks. Soojusülekandes levib siseenergia soojemalt kehalt või kehaosalt külmemale. Seejuures soojema keha siseenergia väheneb ja külmema keha siseenergia suureneb. Soojusülekanne kestab seni, kuni kehade temperatuurid saavad võrdseks. Sel juhul öeldakse, et on saabunud termodünaamiline tasakaal.
Soojusülekannet liigitatakse siseenergia ülekande viiside alusel soojusjuhtivuseks, konvektsiooniks ja soojuskiirguseks.

• Soojusjuhtivuseks nimetatakse soojusülekannet, kus energia levib ühelt aine osalt teisele molekulidevaheliste põrgete tõttu, ilma et aine ümber paikneks.
  
• Konvektsiooniks nimetatakse soojusülekannet, kus energia levib gaasi- või vedeliku liikumise tõttu.
  
• Soojuskiirguseks nimetatakse soojusülekannet, kus energia levib elektromagnetlainete kiirgamise ja neelamise tõttu.
  

Tegelikkuses esinevad soojusülekande liigid korraga.
Soojusülekandel üleantavat energiahulka iseloomustab soojushulk . Soojushulka mõõdetakse energiaühikutes, seega džaulides.
Soojushulga arvutamiseks kasutatakse valemit:
Q = cmt. ,
kus c on aine erisoojus , m keha mass ja t keha temperatuuri muut (lõpp- ja algtemperatuuride vahe).

4.1.2. Termodünaamika I printsiip

Termodünaamikas vaadeldakse protsesse tavaliselt suletud ehk soojuslikult isoleeritud süsteemis (näiteks suletud termospudel). Selliseks süsteemiks on kehade kogum, mis on soojusvahetuses ainult omavahel, mitte aga väljaspool kogumit asuvate kehadega. Suletud süsteemis kehtib termodünaamika esimene printsiip: süsteemile juurdeantav soojushulk kulub süsteemi siseenergia suurendamiseks ja mehaaniliseks tööks, mida tehakse välisjõudude vastu:
Q = U + A,
kus Q on juurdeantav soojushulk, U siseenergia suurenemine ja A välisjõudude vastu tehtud töö ( paisumise töö).
Kuna soojus ja töö on ekvivalentsed energiaga, võib ka öelda, et energia ei teki ega kao, vaid läheb ühest liigist teise. Sellist sõnastust tuntakse energia jäävuse seadusena.
Printsiibi rakendamisel tuleb silmas pidada, et siseenergia ei pruugi ainult suureneda, st. U võib olla ka negatiivne, sest nii Q kui A on antud avaldises algebralised suurused. Kui Q on negatiivne, siis tähendab see, et süsteem annab ära vastava soojushulga ja kui A on negatiivne, siis teevad välisjõud süsteemiga tööd, näiteks suruvad seda kokku.
Siseenergiat mehaaniliseks energiaks muutvat seadet nimetatakse soojusmasinaks. Soojusmasinas iseloomustab energia muundumist mehaaniline töö.
Soojusmasin koosneb soojendist (süsteemile siseenergiat andev keha), jahutist (süsteemilt siseenergiat saav keha) ja töökehast (siseenergiat mehaaniliseks energiaks muutev keha). Pärast töö sooritamist viiakse töökeha esialgsesse olekusse ja alustatakse kogu protsessi uuesti. Töökeha sooritab protsesside tsükli ehk ringprotsessi.
Soojusmasina kasutegur  näitab, kui suure osa juurdeantavast soojusenergiast Q1 muudab masin kasulikuks tööks Akas . Kasulikuks tööks muutub süsteemile juurdeantava ja jahutile äraantava soojushulga Q2 vahe: Akas = Q1 – Q2 . Kasuteguri väärtus antakse tavaliselt protsentides ja selle saab leida järgmisest valemist :
.
Ideaalne soojusmasin on selline, mis tagab isoleeritud süsteemis parima soojuse ärakasutamise, st suurima kasuteguri.
Ideaalse soojusmasina kasutegur  , kus T1 on soojendi temperatuur ja T2 jahuti temperatuur .

4.1.3. Protsesside pööratavus ja termodünaamika II printsiip

Termodünaamikas käsitletakse kahesuguseid protsesse: ühed on pööratavad, teised mittepööratavad.
Pööratavaks protsessiks nimetatakse niisugust protsessi, mis saab kulgeda ka vastupidises järjekorras, nii et süsteem läbib kõik olekud mis pärisuunaski, ainult vastupidises järjekorras ja jõuab algolekusse tagasi. Näiteks sisse- ja väljahingamine.
Mittepööratava protsessi korral pole olekute vastupidises järjekorras läbimine võimalik. Näiteks nihutame keha laual ühest kohast teise. Osa tehtud tööst läheb hõõrdesoojuseks. Kui protsess oleks pööratav, siis hakkaks keha neelama hõõrdesoojust ja liiguks algasendisse tagasi.
Kõik reaalsed protsessid on mittepööratavad, sest need esinevad avatud süsteemides, kus esineb soojusülekanne süsteemi ja sinna mitte kuuluvate kehade vahel. Selliste protsesside kirjeldamine on keerukas ja seetõttu kasutatakse tihti nende asemel pööratavaid protsesse. See on lubatav juhtudel kui süsteemist väljuvat soojushulka võib lugeda väga väikeseks .
Kuid ka suletud süsteemis on võimalikud mittepööratavad protsessid, näiteks sooja ja külma vee segunemine . Mitte kunagi ei eraldu leigest veest iseenesest uuesti soe ja külm vesi. On kindlaks tehtud, et soojusülekandel on alati kindel suund, mida kirjeldab termodünaamika II printsiip:
soojusülekanne ei saa iseenesest toimuda külmemalt kehalt soojemale.
Termodünaamika II printsiipi ei saa tuletada, see kirjeldab paljukordselt katselist kinnitust leidnud looduse omapära nagu termodünaamika I printsiipki. Termodünaamika II printsiibil on mitmeid erinevaid sõnastusi, mis oleneb sellest, milliseid protsesse vaadeldakse. Näiteks, kui vaadeldakse süsteemi olekuid , siis võib termodünaamika teist printsiipi sõnastada nii: suletud süsteem püüab üle minna korrastatud olekust korrastamata olekusse. Korra all mõistetakse siin seda, et süsteemi ühes osas on temperatuur (molekulide liikumise keskmine kiirus) suurem kui teises osas. Korrastamata olekus ei ole enam mingit erinevust süsteemi osade vahel, süsteem on siis tasakaalulises olekus.
Süsteemi korrastatust iseloomustatakse entroopia mõiste abil. Mida korrastatum süsteem on, seda väiksem on entroopia ja vastupidi, mida väiksem on süsteemi korrastatus (mida lähemal on süsteem tasakaalu olekule), seda suurem on entroopia.
Entroopia S = k ln W, kus k on Boltzmanni koefitsient ja W süsteemi oleku termodünaamiline tõenäosus. See näitab antud oleku realiseerimisviiside arvu. Mida tõenäosem on olek, seda suurem on W. Näiteks vaatame gaasi olekuid . Kõige tõenäosem on, et gaasi molekulid täidavad kogu ruumi ja liiguvad korrapäratult. Väga väike on aga sellise oleku tõenäosus, kus gaasi molekulid on iseenesest kogunenud ühte ruumi nurka ja liiguvad kõik ühesuguse kiirusega. See ei tähenda, et selline olek oleks võimatu. Võimalik on ka see, et maas lamavas kivis ühel hetkel kõik molekulid liiguvad ühes suunas, näiteks üles ja kivi kerkib iseenesest õhku, aga sellise protsessi tõenäosus on kaduvväike. Kõikides isoleeritud süsteemides kasvab korrapäratus ja sellega koos ka oleku tõenäosus. See viib aga entroopia kasvule.
Entroopiat kasutatakse ka termodünaamika II seaduse sõnastamisel: entroopia kasvab suletud süsteemis toimuvate soojuslike protsesside käigus. Seda võib matemaatiliselt kirjeldada järgmiselt:  S  0.
3