Menu

Central nuclear d'Isar, Alemanya

Piscina de combustible nuclear gastat

Turbina d'una central nuclear

termodinàmica

termodinàmica

La termodinàmica és la branca de la física clàssica que estudia i descriu les transformacions termodinàmiques induïdes per la calor i el treball en un sistema termodinàmic, com a resultat de processos que impliquen canvis en les variables d'estat de temperatura i energia.

La termodinàmica clàssica es basa en el concepte de sistema macroscòpic, és a dir, una porció de massa física o conceptualment separada de l'entorn extern, que sovint se suposa per comoditat que no es veu pertorbada per l'intercanvi d'energia amb el sistema. L'estat d'un sistema macroscòpic que està en condicions d'equilibri s'especifica mitjançant quantitats anomenades variables termodinàmiques o funcions d'estat com ara temperatura, pressió, volum i composició química. Les principals notacions en termodinàmica química han estat establertes per la unió internacional de química pura i aplicada.

No obstant això, hi ha una branca de la termodinàmica, anomenada termodinàmica del no equilibri que estudia els processos termodinàmics caracteritzats per la incapacitat d'aconseguir condicions d'equilibri estables.

Lleis de la termodinàmica

Els principis de la termodinàmica es van enunciar durant el segle XIX i regulen les transformacions termodinàmiques, el seu progrés, els seus límits. Són axiomes reals, no provats i indemostrables, basats â € <â €

Podem distingir tres principis bàsics, més un principi "zero" que defineix la temperatura i que està implícit en els altres tres.

Llei zero de la termodinàmica

Quan dos sistemes que interactuen estan en equilibri tèrmic, comparteixen algunes propietats, que es poden mesurar, el que els dóna un valor numèric precís. Com a resultat, quan dos sistemes estan en equilibri tèrmic amb un tercer, estan en equilibri entre si i la propietat compartida és la temperatura. El principi zero de la termodinàmica simplement diu que, si un cos "A" està en equilibri tèrmic amb un cos "B" i "B" està en equilibri tèrmic amb un cos "C", llavors "A" i "C" estan en equilibri tèrmic equilibri entre ells.

Aquest principi explica el fet que dos cossos a diferents temperatures, entre els quals s'intercanvia calor (fins i tot si aquest concepte no està present en el principi zero) acaben aconseguint la mateixa temperatura.

A la cinètica principi formulació zero de la termodinàmica és una tendència a arribar a un 'energia cinètica mitjana comú dels àtoms i molècules dels cossos entre els quals porta d'intercanvi de calor: de mitjana, com a resultat de les col·lisions de les partícules del cos més calent, de mitjana, més ràpid, amb les partícules del cos més fredes, de mitjana més lent, hi haurà energia passant del primer al segon, tendint a temperatures iguals. L'eficiència de l'intercanvi d'energia determina calors específiques dels elements involucrats.

Primera llei de la termodinàmica

Quan un cos es col·loca en contacte amb un cos relativament més fred té lloc una transformació que condueix a un estat d'equilibri en el qual les temperatures dels dos cossos són iguals. Per explicar aquest fenomen, els científics del segle divuit van suposar que una substància, present en majors quantitats en el cos més calent, passava al cos més fred.

Aquesta substància hipotètica, anomenada calòrica, es va pensar com un fluid capaç de moure a través de la massa anomenada impròpiament matèria. El primer principi de la termodinàmica identifica la calor com una forma d'energia que pot convertir-se en treball mecànic i emmagatzemar-, però que no és una substància material. Es va demostrar experimentalment que la calor, originalment mesurat en calories i el treball o l'energia, mesurats en joules, són en realitat equivalents. Cada caloria és equivalent a aproximadament 4,186 joules.

El primer principi és, per tant, un principi de conservació de l'energia. A cada màquina tèrmica o un motor tèrmic, una certa quantitat d'energia es transforma en treball: no hi pot haver cap màquina que produeixi treball sense consumir energia. Una màquina similar, si existís, de fet, produiria l'anomenat moviment perpetu de la primera espècie.

El primer principi s'estableix tradicionalment com:

La variació de l'energia interna d'un sistema termodinàmic tancat és igual a la diferència entre la calor subministrat al sistema i el treball realitzat pel sistema en l'ambient.

La formulació matemàtica corresponent s'expressa com:

ΔU = Q - L

On O és l'energia interna del sistema, Q la calor subministrat al sistema i L el treball realitzat pel sistema.

Energia interna significa la suma de les energies cinètiques i la interacció de les diferents partícules d'un sistema. Q és la calor intercanviada entre l'ambient i el sistema (positiu si es subministra al sistema, negatiu si és transferit pel sistema) i L el treball realitzat (positiu si el sistema ho realitza en l'ambient, negatiu si ho fa l'ambient en el sistema). La convenció de signes està influenciada pel vincle amb l'estudi dels motors tèrmics, en els quals la calor es transforma (parcialment) en treball.

Les formulacions alternatives i equivalents del primer principi són:

  • Per a un sistema obert, qw =? I on? I es destina a la variació de l'energia total, que no és més que la suma dels canvis en l'energia interna, l'energia cinètica i l'energia potencial que posseeix aquest sistema és. Veiem que per a un sistema tancat les variacions d'energia cinètica i potencial són nul·les i, per tant, ens referim a la relació anterior.
  • Per a un cicle termodinàmic, q = w, ja que la variació total d'energia és zero, el sistema que té, al final de cada cicle, de nou en les mateixes condicions de partida.

Segona llei de la termodinàmica

Hi ha diverses declaracions del segon principi, totes equivalents, i cadascuna de les formulacions emfatitza un aspecte particular. Estableix que "és impossible realitzar una màquina cíclica que té com a únic resultat la transferència de calor d'un cos fred a un càlid" (declaració de Clausius) o, de manera equivalent, que "és impossible dur a terme una transformació el resultat és només el de converteixi la calor extret d'una sola font en treball mecànic "(declaració de Kelvin).

Aquesta última limitació nega la possibilitat de realitzar l'anomenat moviment perpetu de la segona espècie. L 'entropia el total d'un sistema aïllat roman sense canvis quan té lloc una transformació reversible i augmenta quan té lloc una transformació irreversible.

Tercera llei de la termodinàmica

Està estretament relacionat amb aquest últim i, en alguns casos, es considera una conseqüència d'aquest últim. Es pot afirmar dient que "és impossible aconseguir el zero absolut amb un nombre finit de transformacions" i proporciona una definició precisa de la magnitud anomenada entropia.

També estableix que l'entropia per a un sòlid perfectament cristal·lí, a una temperatura de 0 kelvin és igual a 0. És fàcil explicar aquesta afirmació a través de la termodinàmica molecular: un sòlid perfectament cristal·lí està compost d'un sol complex (Tots ells són maneres d'organitzar les molècules, si les molècules són tots iguals, independentment de la forma en què estan disposats, macroscòpicament el vidre és sempre la mateixa) i, sent a 0 kelvin, l'energia de vibració, de translació i de rotació de les partícules que el componen és res, per tant, de la llei de Boltzmann S = k ln (1) = 0 on 1 són els complexos (en aquest cas només un).

Història de la termodinàmica

Va ser Sadi Carnot, en 1824, el primer a demostrar que es pot obtenir treball de l'intercanvi de calor entre dues fonts a diferents temperatures. Mitjançant el teorema de Carnot i la màquina ideal de Carnot (basada en el cicle de Carnot) va quantificar aquest treball i va introduir el concepte d'eficiència termodinàmica.

El 1848, Lord Kelvin, utilitzant la màquina de Carnot, va introduir el concepte de temperatura termodinàmica efectiva i és responsable d'una declaració del segon principi de la termodinàmica.

En 1850 James Prescott Joule va demostrar la igualtat de les dues formes d'energia (llavors es creia que el líquid calòric encara existia).

Havent arribat a això, es va plantejar el problema que, si fos possible obtenir la calor total del treball, no hagués estat possible obtenir el invers. Aquest resultat també va aterrar Clausius que el 1855 presenta el seu desigualtat per reconèixer processos reversibles de les irreversible i estat de la funció de l'entropia.

El 1876 Willard Gibbs va publicar el tractat "Sobre l'equilibri de substàncies heterogènies" (Sobre l'equilibri de substàncies heterogènies) que mostrava com un procés termodinàmic podria representar-se gràficament i com estudiar d'aquesta manera l'energia, l'entropia, el volum, la temperatura i la pressió podrien preveure l'eventual espontaneïtat del procés considerat.

El cas de la termodinàmica és emblemàtic en la història i en 'l'epistemologia de la ciència: és un d'aquests casos en què la pràctica ha estat pioner en la teoria mateixa: la primera està dissenyada per a la màquina de vapor, a continuació , es va sistematitzar el seu funcionament teòric a través dels seus principis bàsics.

valoración: 3 - votos 1

Última revisió: 7 de març de 2018

Tornar