מהי תרמודינמיקה:
תרמודינמיקה היא ענף הפיזיקה החוקר את הקשר בין חום, כוח מופעל (המכונה גם עבודה) והעברת אנרגיה.
המילה תרמודינמיקה מגיעה מהשורשים היוונים θερμο- (תרמו-) שפירושו 'חום', ו δυναμικός (דימניקוס), אשר בתורו נובע מ δύναμις (dýnamis), שפירושו 'כוח' או 'כוח'.
תהליכים תרמודינמיים נקבעים על ידי שלושה חוקים בסיסיים.
- החוק הראשון מאפשר לנו להבין כיצד משמרים אנרגיה.
- החוק השני משמש לידיעת התנאים הדרושים להעברת אנרגיה.
- החוק השלישי משמש להכרת התנהגותן של מערכות בשיווי משקל.
הבנת תהליכים תרמודינמיים חשובה בתחומים כמו הנדסת תעשייה שבהם יש להשתמש בכמויות גדולות של אנרגיה להפעלת מכונות מרובות.
חוקי התרמודינמיקה מאפשרים לנו גם להבין את תפקודן של מערכות בתחומים כמו ביוכימיה, קוסמולוגיה וגנטיקה.
חוקי תרמודינמיקה
ישנם שלושה חוקים בתרמודינמיקה המסבירים כיצד עוברים ומועברים חום ואנרגיה. נסביר אותם בהרחבה בהמשך.
החוק הראשון של התרמודינמיקה
החוק הראשון עוסק בשימור האנרגיה: אנרגיה לא נוצרת ולא נהרסת, היא הופכת רק. לדוגמה:
- אנרגיה סולארית הופכת לאנרגיה חשמלית לתחנת שירות.
- באמצעות אנרגיה חשמלית ניתן לטעון את הסוללה של המכונית החשמלית.
- המכונית החשמלית מסוגלת להמיר אנרגיה מצטברת לעקירה.
לכן אנרגיה תמיד בתנועה.
הנוסחה הפשוטה תהיה הבאה:
החוק השני של התרמודינמיקה
החוק השני של התרמודינמיקה מאפשר לקבוע שני דברים:
- הכיוון אליו מתרחשת העברת אנרגיה.
- התנאים הדרושים לביטול התהליך.
מכאן אנו למדים שישנם תהליכים הפיכים ובלתי הפיכים.
לדוגמא, מלח שולחן מתערבב באופן ספונטני עם מים בתהליך הנקרא דילול. תהליך זה משחרר חום.
על מנת להפוך את התהליך הזה וליצור מחדש גבישי מלח יש למרוח חום המאפשר למים להתאדות ולהפריד אותם מהמלח. המערכת סופגת חום.
הנוסחה הפשוטה תהיה הבאה:
החוק השלישי של התרמודינמיקה
החוק השלישי של התרמודינמיקה משלב את שני החוקים הקודמים ומחיל אותם על מערכות בשיווי משקל מוחלט. במצב זה יש חילופי אנרגיה מינימליים ומידת הפרעה (או אנטרופיה) מקסימאלית.
החוק השלישי מוחל על מערכות סגורות. סוגים אלה של מערכות נראים רק בפיסיקה תיאורטית וכימיה.
הנוסחה הפשוטה תהיה זו:
סוגי מערכות בתרמודינמיקה
כדי להבין את חוקי התרמודינמיקה, ראשית חשוב לדעת את סוגי המערכות הקיימות ואת התנהגותן.
כל מה שמסביב מורכב ממערכות ורוב המערכות שאנו מכירים מחליפות אנרגיה. מערכות מסווגות לשלושה סוגים: פתוחים, סגורים ומבודדים.
- מערכות פתוחות: הם מחליפים אנרגיה וחומר עם החוץ (למשל, מדורה).
- מערכות סגורות: הם מחליפים אנרגיה רק עם החלק החיצוני (למשל, טלפון נייד).
- מערכות מבודדות: הם לא מחליפים חומר או אנרגיה (הם תיאורטיים בלבד).
בעוד שהחוקים הראשונים והשניים של התרמודינמיקה חלים על מערכות פתוחות וסגורות, החוק השלישי חל על מערכות מבודדות.
מצב של מערכת
ישנם שני מצבים בסיסיים בהם ניתן למצוא מערכות (ללא קשר לסוגן).
- מערכות אקטיביות: אם יש חילופי אנרגיה, אומרים שהמערכת פעילה.
- מערכות במצב מנוחה או שיווי משקל: אם אין חילופי אנרגיה, המערכת נחשבת למצב של מנוחה או שיווי משקל.
העברת חום וחום בתרמודינמיקה
על פי הפיזיקה, חום הוא זרם האנרגיה הקיים כאשר שתי מערכות בטמפרטורות שונות באות במגע. לשיווי משקל תרמי מגיעים כאשר כל המערכות המעורבות מגיעות לאותה טמפרטורה.
במערכות תרמודינמיות אם שניים מהם נמצאים בשיווי משקל עם מערכת שלישית, אז הם גם נמצאים בשיווי משקל זה עם זה. לכן, כאשר מגיעים לשיווי משקל, הטמפרטורה קבועה.
