ሦስተኛው የቴርሞዳይናሚክስ ህግ። የቴርሞዳይናሚክስ ህጎችን ተግባራዊ ማድረግ

2024 ደራሲ ደራሲ: Angel Austin | [email protected]. ለመጨረሻ ጊዜ የተሻሻለው: 2023-12-17 05:15

ቴርሞዳይናሚክስ አስፈላጊ የፊዚክስ ዘርፍ ነው። ስኬቶቹ የቴክኖሎጂው ዘመን እንዲፈጠር ምክንያት ሆኗል እናም ባለፉት 300 ዓመታት ውስጥ የሰው ልጅ ታሪክን በእጅጉ የወሰኑ ናቸው ብለን በእርግጠኝነት መናገር እንችላለን። ጽሑፉ ስለ ቴርሞዳይናሚክስ የመጀመሪያ፣ ሁለተኛ እና ሶስተኛ ህጎች እና አተገባበርን በተግባር ያብራራል።

ቴርሞዳይናሚክስ ምንድን ነው?

የቴርሞዳይናሚክስ ህጎችን ከመቅረፅ በፊት፣ይህ የፊዚክስ ክፍል ምን እንደሚሰራ እንወቅ።

"ቴርሞዳይናሚክስ" የሚለው ቃል መነሻው የግሪክ ሲሆን ትርጉሙም "በሙቀት ምክንያት የሚደረግ እንቅስቃሴ" ማለት ነው። ማለትም ይህ የፊዚክስ ቅርንጫፍ በማናቸውም ሂደቶች ላይ በማጥናት ላይ ይገኛል, በዚህ ምክንያት የሙቀት ኃይል ወደ ሜካኒካል እንቅስቃሴ እና በተቃራኒው ይለወጣል.

የቴርሞዳይናሚክስ መሰረታዊ ህጎች የተቀረፁት በ19ኛው ክፍለ ዘመን አጋማሽ ላይ ነው። የ "እንቅስቃሴ እና ሙቀት" ሳይንስ የአጠቃላይ ስርዓቱን ባህሪ በአጠቃላይ በማክሮስኮፕ መለኪያዎች ላይ ያለውን ለውጥ በማጥናት - የሙቀት መጠን, ግፊት እና መጠን, እና ለአጉሊ መነጽር አወቃቀሩ ትኩረት አይሰጥም. ከዚህም በላይ የመጀመሪያዎቹ ሕጎችን በማዘጋጀት ረገድ መሠረታዊ ሚና ይጫወታሉቴርሞዳይናሚክስ በፊዚክስ. ከሙከራ ምልከታዎች ብቻ የተወሰዱ መሆናቸውን ለማወቅ ጉጉ ነው።

የቴርሞዳይናሚክስ ስርዓት ጽንሰ-ሀሳብ

ይህ ማለት እንደ አጠቃላይ የሚታሰቡ የአተሞች፣ ሞለኪውሎች ወይም ሌሎች ንጥረ ነገሮች ቡድን ማለት ነው። ሦስቱም ሕጎች የተቀመሩት ቴርሞዳይናሚክ ሲስተም ለሚባለው ነው። ለምሳሌ፡- የምድር ከባቢ አየር፣ ማንኛውም ህይወት ያለው አካል፣ በውስጣዊ ማቃጠያ ሞተር ውስጥ ያለው የጋዝ ቅይጥ፣ ወዘተ.

በቴርሞዳይናሚክስ ውስጥ ያሉ ሁሉም ስርዓቶች ከሶስት ዓይነቶች የአንዱ ናቸው፡

• ክፍት። ሙቀትን እና ቁስን ከአካባቢው ጋር ይለዋወጣሉ. ለምሳሌ ምግብ በድስት ውስጥ በተከፈተ እሳት ቢበስል ይህ የስርዓተ-ምህረት ቁልጭ ምሳሌ ነው ምክንያቱም ማሰሮው ከውጪው አካባቢ (እሳት) ኃይልን ስለሚቀበል እሱ ራሱ በሙቀት መልክ ኃይልን ያመነጫል ። እና ውሃ ደግሞ ከውስጡ ይተናል (ሜታቦሊዝም)።
• ተዘግቷል። በእንደዚህ አይነት ስርዓቶች ውስጥ ምንም እንኳን የኃይል ልውውጥ ቢከሰትም ከአካባቢው ጋር ምንም አይነት ልውውጥ የለም. ወደ ቀደመው ጉዳይ ስንመለስ፡ ማሰሮውን በክዳን ከሸፈኑት የተዘጋ ስርዓት ማግኘት ይችላሉ።
• የተለየ። ይህ ቁስ ወይም ጉልበት ከአካባቢው ጠፈር ጋር የማይለዋወጥ ቴርሞዳይናሚክስ ሲስተም ነው። ለምሳሌ ትኩስ ሻይ የያዘ ቴርሞስ ነው።

የቴርሞዳይናሚክስ ሙቀት

ይህ ጽንሰ-ሀሳብ ማለት ፍጥነቱን የሚያንፀባርቀው በዙሪያው ያሉ አካላትን የሚፈጥሩት የንጥረ ነገሮች እንቅስቃሴ (kinetic energy) ማለት ነው።የዘፈቀደ ቅንጣቶች እንቅስቃሴ. ትልቅ ከሆነ, የሙቀት መጠኑ ይጨምራል. በዚህ መሠረት የስርአቱን የእንቅስቃሴ ሃይል በመቀነስ እናቀዘቅዘዋለን።

ይህ ፅንሰ-ሀሳብ ማለት በዙሪያው ያሉ አካላትን የሚፈጥሩት የንጥረ ነገሮች እንቅስቃሴ እንቅስቃሴ ፍጥነት ያሳያል። ትልቅ ከሆነ, የሙቀት መጠኑ ይጨምራል. በዚህ መሠረት የስርአቱን የእንቅስቃሴ ሃይል በመቀነስ እናቀዘቅዘዋለን።

የቴርሞዳይናሚክስ ሙቀት በሲአይ (አለምአቀፍ የዩኒትስ ሲስተም) በኬልቪን (ለእንግሊዛዊው ሳይንቲስት ዊልያም ኬልቪን ክብር ለመጀመሪያ ጊዜ ይህንን ልኬት ላቀረበው) ይገለጻል። የቴርሞዳይናሚክስ የመጀመሪያ፣ ሁለተኛ እና ሶስተኛ ህጎችን መረዳት ያለ የሙቀት መጠን ትርጉም አይቻልም።

የአንድ ዲግሪ ክፍል በኬልቪን ሚዛን እንዲሁ ከአንድ ዲግሪ ሴልሺየስ ጋር ይዛመዳል። በእነዚህ ክፍሎች መካከል ያለው ልወጣ የሚከናወነው በቀመርው መሰረት ነው፡T_K =T_C + 273, 15፣ የት T_K እና ቲ_C - የሙቀት መጠኑ በኬልቪን እና ዲግሪ ሴልሺየስ።

የኬልቪን ሚዛን ልዩነቱ አሉታዊ እሴቶች ስለሌለው ነው። በውስጡ ዜሮ (T_C=-273, 15 ^oC) የስርዓቱ ቅንጣቶች የሙቀት እንቅስቃሴ ሙሉ በሙሉ በማይኖርበት ጊዜ ከግዛቱ ጋር ይዛመዳል። ፣ "የታሰሩ" ይመስላሉ።

የኃይል ጥበቃ እና 1ኛው የቴርሞዳይናሚክስ ህግ

በ1824 ኒኮላስ ሌኦናርድ ሳዲ ካርኖት ፈረንሳዊው መሐንዲስ እና የፊዚክስ ሊቅ ለፊዚክስ እድገት ብቻ ሳይሆን ለቴክኖሎጂ መሻሻል ትልቅ እርምጃ የሆነ ድፍረት የተሞላበት ሀሳብ አቅርበዋል። የእሱእንደሚከተለው ሊቀረጽ ይችላል፡- "ኃይል ሊፈጠርም ሆነ ሊጠፋ አይችልም፣ ከአንዱ ግዛት ወደ ሌላ ግዛት ብቻ ነው የሚተላለፈው"

እንዲያውም የሳዲ ካርኖት ሀረግ ለ1ኛው የቴርሞዳይናሚክስ ህግ መሰረት የሆነውን የሃይል ጥበቃ ህግን ያስቀምጣል።"አንድ ስርአት ሀይልን ከውጭ በተቀበለ ቁጥር ወደ ሌላ መልክ ይለውጠዋል ይህም ዋናው ቴርማል እና ሜካኒካል ናቸው።"

የ1ኛው ህግ የሂሳብ ቀመር እንደሚከተለው ተጽፏል፡

Q=ΔU + A፣

እዚህ ጥ በአከባቢው ወደ ስርዓቱ የሚተላለፈው የሙቀት መጠን ነው ፣ ΔU የዚህ ስርዓት ውስጣዊ የኃይል ለውጥ ነው ፣ ሀ ፍጹም ሜካኒካል ስራ ነው።

አዲያባቲክ ሂደቶች

የነርሱ ጥሩ ምሳሌ በተራራማ ተዳፋት ላይ ያለው የአየር ብዛት እንቅስቃሴ ነው። እንደነዚህ ያሉት ስብስቦች ግዙፍ (ኪሜ ወይም ከዚያ በላይ) ናቸው, እና አየር በጣም ጥሩ የሙቀት መከላከያ ነው. የታወቁት ባህሪያት በአጭር ጊዜ ውስጥ የሚከሰቱትን የአየር ብዛት ያላቸውን ሂደቶች እንደ adiabatic እንድንቆጥር ያስችሉናል. አየር በተራራ ቁልቁል ላይ በሚወጣበት ጊዜ ግፊቱ ይቀንሳል, ይስፋፋል, ማለትም, ሜካኒካል ስራዎችን ያከናውናል, በውጤቱም, ይቀዘቅዛል. በተቃራኒው የአየር ብዛት ወደ ታች መንቀሳቀስ በውስጡ ካለው ግፊት መጨመር ጋር አብሮ ይመጣል, ይጨመቃል እና በዚህ ምክንያት, በጣም ሞቃት ይሆናል.

የቴርሞዳይናሚክስ ህግ አተገባበር፣ ባለፈው ንዑስ ርዕስ ላይ የተብራራው፣ በቀላሉ የሚታየው የአዲያባቲክ ሂደትን ምሳሌ በመጠቀም ነው።

እንደ ትርጉሙ፣በዚህም ምክንያት የኃይል ልውውጥ የለም።አካባቢ, ማለትም, ከላይ ባለው ቀመር, Q=0. ይህ ወደሚከተለው አገላለጽ ይመራል: ΔU=-A. እዚህ ያለው የመቀነስ ምልክት ማለት ስርዓቱ የራሱን ውስጣዊ ጉልበት በመቀነስ ሜካኒካል ስራን ያከናውናል ማለት ነው. የውስጥ ሃይል በቀጥታ በስርዓቱ የሙቀት መጠን ላይ የተመሰረተ መሆኑን ማስታወስ ይገባል.

የሙቀት ሂደቶች አቅጣጫ

ይህ እትም ሁለተኛውን የቴርሞዳይናሚክስ ህግ ይመለከታል። በእርግጠኝነት ሁሉም ሰው አስተውሏል የተለያዩ ሙቀቶች ያላቸውን ሁለት ነገሮች ወደ ንክኪ ካመጣህ ቅዝቃዜው ሁል ጊዜ ይሞቃል እና ትኩስ ደግሞ ይቀዘቅዛል። የተገላቢጦሹ ሂደት በመጀመሪያው የቴርሞዳይናሚክስ ህግ ማዕቀፍ ውስጥ ሊከሰት እንደሚችል ልብ ይበሉ፣ነገር ግን በተግባር ግን በጭራሽ አይተገበርም።

የዚህ ሂደት የማይቀለበስበት ምክንያት (እና በአጽናፈ ሰማይ ውስጥ ያሉ ሁሉም የታወቁ ሂደቶች) የስርአቱ ይበልጥ ወደሚቻል ሁኔታ መሸጋገር ነው። በተጠቀሰው ምሳሌ ውስጥ የተለያየ የሙቀት መጠን ካላቸው የሁለት አካላት ግንኙነት ጋር፣ በጣም የሚቻለው ሁኔታ ሁሉም የስርአቱ ቅንጣቶች አንድ አይነት የኪነቲክ ሃይል የሚኖራቸው ይሆናል።

ሁለተኛው የቴርሞዳይናሚክስ ህግ በሚከተለው መልኩ ሊቀረጽ ይችላል፡- "ሙቀት በፍፁም ከቀዝቃዛ ሰውነት ወደ ሙቅ ሰው ሊተላለፍ አይችልም።" የኢንትሮፒን ፅንሰ-ሀሳብ እንደ መታወክ መለኪያ ካቀረብነው እንደሚከተለው ሊወከል ይችላል፡- "ማንኛውም ቴርሞዳይናሚክስ ሂደት ኢንትሮፒ በመጨመር ይቀጥላል"

የሙቀት ሞተር

ይህ ቃል የተረዳው በውጫዊ የኃይል አቅርቦት ምክንያት የሜካኒካል ስራን የሚያከናውን ስርዓት ነው. አንደኛየሙቀት ሞተሮች የእንፋሎት ሞተሮች ነበሩ እና የተፈጠሩት በ17ኛው ክፍለ ዘመን መገባደጃ ላይ ነው።

ሁለተኛው የቴርሞዳይናሚክስ ህግ ውጤታማነታቸውን ለመወሰን ወሳኝ ሚና ይጫወታል። በተጨማሪም ሳዲ ካርኖት የዚህ መሳሪያ ከፍተኛው ቅልጥፍና፡ ብቃት=(T₂ - T₁)/T_{2 መሆኑን አረጋግጧል።}፣ እዚህ ቲ₂ እና ቲ₁ የሙቀት እና የፍሪጅ ሙቀቶች ናቸው። የሜካኒካል ስራ ሊሰራ የሚችለው ከሞቃታማ ሰውነት ወደ ቀዝቃዛው ሙቀት ሲፈስ ብቻ ነው, እና ይህ ፍሰት 100% ወደ ጠቃሚ ሃይል መቀየር አይቻልም.

ከዚህ በታች ያለው ምስል የሙቀት ሞተርን አሠራር መርህ ያሳያል (Q_abs - ሙቀት ወደ ማሽኑ የተላለፈ፣ Q_ced - ሙቀትን ማጣት, W - ጠቃሚ ስራ, ፒ እና ቪ - በፒስተን ውስጥ ያለው ግፊት እና የጋዝ መጠን).

ፍፁም ዜሮ እና የኔርነስት ፖስታ

በመጨረሻ፣ ወደ ሦስተኛው የቴርሞዳይናሚክስ ህግ ግምት እንሂድ። እሱም ኔርነስት ፖስትላይት (በ 20 ኛው ክፍለ ዘመን መጀመሪያ ላይ ለመጀመሪያ ጊዜ ያዘጋጀው የጀርመን የፊዚክስ ሊቅ ስም) ተብሎም ይጠራል. ሕጉ "ፍፁም ዜሮን በተወሰኑ ሂደቶች ላይ መድረስ አይቻልም." ያም ማለት የአንድን ንጥረ ነገር ሞለኪውሎች እና አተሞች ሙሉ በሙሉ "ማቀዝቀዝ" በምንም መንገድ የማይቻል ነው. ለዚህ ምክንያቱ ከአካባቢው ጋር ያለው የማያቋርጥ የሙቀት ልውውጥ ነው።

ከሦስተኛው የቴርሞዳይናሚክስ ህግ አንድ ጠቃሚ መደምደሚያ አንድ ሰው ወደ ፍፁም ዜሮ ሲሄድ ኢንትሮፒ ይቀንሳል የሚለው ነው። ይህ ማለት ስርዓቱ እራሱን የማደራጀት አዝማሚያ አለው. ይህ እውነታ ይችላል።ለምሳሌ ሲቀዘቅዙ ፓራማግኔቶችን ወደ ፍሮማግኔቲክ ሁኔታ ለማስተላለፍ ይጠቀሙ።

እስካሁን የደረሰው ዝቅተኛው የሙቀት መጠን 5·10⁻¹⁰ K (2003፣ MIT labatory, USA) መሆኑ ትኩረት የሚስብ ነው።