ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗ

Είμαι βέβαιος ότι η κλασσική Θερμοδυναμική είναι η μοναδική οικουμενική θεωρία τής Φυσικής που δεν θα καταρριφθεί ποτέ. Albert Einstein

Η Θερμοδυναμική έχει πολλή πλάκα: Την πρώτη φορά που την μελετάς δεν καταλαβαίνεις τίποτα! Την δεύτερη φορά νομίζεις ότι την καταλαβαίνεις, εκτός από κάποιες μικρολεπτομέρειες. Την τρίτη ξέρεις ότι δεν καταλαβαίνεις, αλλά έχεις πια συνηθίσει και δεν σε νοιάζει. Arnold Sommerfeld

Τι μελετάει η Θερμοδυναμική; Τους τρόπους με τους οποίους τα συστήματα ανταλλάσσουν ενέργεια. Τους νόμους με τους οποίους γίνεται η μετατροπή ενέργειας από μια μορφή σε άλλη.

Πού βασίζεται; Σε τέσσερις νόμους (αξιώματα) που λέγονται Μηδενικός, Πρώτος, Δεύτερος και Τρίτος Θερμοδυναμικός Νόμος

Η αστεία(;) πλευρά των νόμων (φανταστείτε μια χαρτοπαιξία) Μηδενικός: Δεν γίνεται να μην παίξεις. Πρώτος: Δεν μπορείς να κερδίσεις! (ως εδώ καλούτσικα τα πάμε… τουλάχιστον να μην χάσω) Δεύτερος: Δεν γίνεται ούτε να μην χάσεις, εκτός… εκτός αν κάνει πολύ κρύο. Τρίτος: Τόσο κρύο δεν κάνει ποτέ!!

Σύστημα - Περιβάλλον Θεμελιώδης έννοια Εμείς ορίζουμε το σύστημα Ό,τι είναι έξω από το σύστημα είναι περιβάλλον

Αέρια: Τα Βασικά μεγέθη Ο όγκος (V) Αύξηση όγκου = εκτόνωση Μείωση όγκου = συμπίεση H πίεση (p) Η θερμοκρασία (Τ) Αύξηση θερμοκρασίας = θέρμανση Μείωση θερμοκρασίας = ψύξη

Τι είναι η θερμοκρασία; Δύσκολη ερώτηση. Για δοκιμάστε αυτό: Είναι το αντίστροφο του ολοκληρωτικού παράγοντα του διαφορικού τής θερμότητας κατά τις αντιστρεπτές μεταβολές. Ωραίο ανέκδοτο, γελάσαμε πάλι! Μας φώτισες!! **Για μας θερμοκρασία είναι ό,τι λέει το θερμόμετρο Μετριέται σε βαθμούς Kelvin και είναι Τ=(θ+273)Κ όπου θ η θερμοκρασία σε βαθμούς Κελσίου

Κατάσταση θερμοδυναμικής ισορροπίας Θεμελιώδης έννοια Κατάσταση θερμοδυναμικής ισορροπίας Σε όλα τα σημεία ενός συστήματος υπάρχει η ίδια πίεση και η ίδια θερμοκρασία

Το διάγραμμα p-V Τ1>Τ2 p/Pa V/m3 Τ1 Τ1>Τ2 Τ2 p1 V1 Α B p2 V2 Κάθε σημείο του διαγράμματος p-V παριστάνει μια κατάσταση θερμοδυναμικής ισορροπίας.

Η εσωτερική ενέργεια Είναι το άθροισμα των ενεργειών των δομικών λίθων τού συστήματος [σύμβολο U, μονάδα Joule (J)] 1) Προφανώς δεν είναι δυνατόν να μετρηθεί. Αυτό δεν ενοχλεί, επειδή στα φαινόμενα υπεισέρχονται μόνον οι μεταβολές της (ΔU), οι οποίες είναι δυνατόν να υπολογιστούν. 2) Είναι καταστατικό μέγεθος. Τι σημαίνει αυτό; Σημαίνει ότι εξαρτάται μόνον από την κατάσταση του συστήματος και όχι από τον τρόπο με τον οποίο το σύστημα ήχθη σ’ αυτήν την κατάσταση.

3) Η μεταβολή τής εσωτερικής ενέργειας (ΔU) εξαρτάται μόνον από την αρχική και τελική κατάσταση του συστήματος και όχι από τον τρόπο με τον οποίο το σύστημα πήγε από την αρχική στην τελική κατάσταση. Μπορεί να πάει με άπειρους τρόπους, όμως η ΔU θα είναι πάντοτε ΙΔΙΑ! 4) Για εμάς, που μελετάμε κυρίως τα ιδανικά αέρια, η εσωτερική ενέργεια (μιας ποσότητας αερίου) εξαρτάται ΜΟΝΟ ΑΠΌ ΤΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ. Δηλαδή: Η αύξηση της θερμοκρασίας συνεπάγεται την αύξηση της εσωτερικής ενέργειας. Αντιστοίχως: Η μείωση της θερμοκρασίας συνεπάγεται την μείωση της εσωτερικής ενέργειας. Φυσικά και τα αντίστροφα!

Ο σωστός συλλογισμός πάει ως εξής: Θέρμανση = Αύξηση θερμοκρασίας (ΔΤ>0) = Αύξηση της εσωτερικής ενέργειας (ΔU>0) Και ανάποδα Τίποτα άλλο!!

Ο σωστός συλλογισμός πάει ως εξής: Ψύξη = Μείωση θερμοκρασίας (ΔΤ<0) = Μείωση της εσωτερικής ενέργειας (ΔU<0) Και ανάποδα Τίποτα άλλο!!

Ο Μηδενικός Νόμος Όταν δύο συστήματα βρίσκονται σε θερμική ισορροπία προς ένα τρίτο σύστημα, τότε βρίσκονται και μεταξύ τους σε θερμική ισορροπία. Κάθε θερμοδυναμικό σύστημα έχει μιαν ιδιότητα που ονομάζεται θερμοκρασία (Τ)

Θερμική ισορροπία συστημάτων Mηδενικός νόμος της θερμοδυναμικής Α = Β Και Β = Γ Τότε Α = Γ Α Β Β Γ Α Γ Mηδενικός νόμος της θερμοδυναμικής

Να το πούμε πιο «λαϊκά» Μηδενικός Νόμος Όταν δύο σώματα (συστήματα) βρίσκονται σε θερμική επαφή θα αποκτήσουν ίσες θερμοκρασίες Δηλαδή: Το θερμότερο ψύχεται και το ψυχρότερο θερμαίνεται με αποτέλεσμα να αποκτήσουν μια κοινή ενδιάμεση θερμοκρασία Προσοχή!! Ενδιάμεση δεν σημαίνει στη «μέση»

Για να σκεφτούμε (σωστά εννοείται) Το θερμότερο ψύχθηκε (ΔΤ1<0), δηλαδή η εσωτερική του ενέργεια μειώθηκε (ΔU1<0) Το ψυχρότερο θερμάνθηκε (ΔΤ2>0) δηλαδή η εσωτερική του ενέργεια αυξήθηκε (ΔU2>0) Υπάρχει μόνον ένας τρόπος να ερμηνευτεί αυτό: Ενέργεια μεταβιβάστηκε από το θερμότερο σώμα στο ψυχρότερο. Και μοναδική αιτία αυτής της μεταβίβασης ήταν η ύπαρξη διαφοράς θερμοκρασίας μεταξύ των δύο σωμάτων. Λέμε τότε ότι

Ενέργεια μεταβιβάστηκε από το ένα σύστημα στο άλλο με τον μηχανισμό τής Θερμότητας Θερμότητα (Q) είναι η ενέργεια που μεταβιβάζεται σε ένα σώμα αποκλειστικώς λόγω διαφοράς θερμοκρασίας Δηλαδή: Θερμότητα δεν είναι αυτό που θερμαίνει! Αιτία της θέρμανσης ενός σώματος δεν είναι η θερμότητα! Αιτία είναι η αύξηση της εσωτερικής του ενέργειας. Υπάρχουν και άλλοι τρόποι για να πάρει ένα σώμα ενέργεια και να αυξηθεί η εσωτερική του ενέργεια, δηλαδή να θερμανθεί. Για σκεφτείτε -Ένα ηλεκτρικό σίδερο θερμαίνεται, δηλαδή αυξάνεται η εσωτερική του ενέργεια επειδή πήρε ενέργεια. Την πήρε λόγω διαφοράς θερμοκρασίας; ΌΧΙ!! -Τρίβετε τα χέρια σας και θερμαίνονται. Πήραν ενέργεια λόγω διαφοράς θερμοκρασίας; ΌΧΙ!!

Μια πιο σύνθετη περίπτωση Ένα δοχείο με νερό βρίσκεται πάνω στο αναμμένο μάτι μιας ηλεκτρικής κουζίνας -Το μάτι θερμαίνεται, δηλαδή αυξάνεται η εσωτερική του ενέργεια. Πήρε ενέργεια λόγω διαφοράς θερμοκρασίας; ΌΧΙ! -Το νερό θερμαίνεται, δηλαδή αυξάνεται η εσωτερική του ενέργεια. Πήρε ενέργεια λόγω διαφοράς θερμοκρασίας; Επιτέλους ΝΑΙ!! Η εσωτερική ενέργεια του νερού αυξήθηκε (άρα και η θερμοκρασία του) επειδή το νερό πήρε ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ!! Και το μάτι; Το σίδερο; Η εσωτερική τους ενέργεια αυξήθηκε (άρα και η θερμοκρασία τους) επειδή πήραν ενέργεια με τον μηχανισμό τού ΕΡΓΟΥ. Λέμε, για συντομία, πήραν ΕΡΓΟ.

Συμπέρασμα Υπάρχουν δύο μηχανισμοί για να δώσουμε (ή να πάρουμε) ενέργεια σε (από) ένα σύστημα: Ο ένας (ο μηχανισμός της θερμότητας) λειτουργεί όταν υπάρχει διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ συστήματος και περιβάλλοντος Την ενέργεια που μεταφέρεται με αυτόν τον μηχανισμό (και μόνον αυτήν!) την ονομάζουμε ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ (σύμβολο Q) Η ενέργεια που μεταφέρεται με τον άλλο μηχανισμό ονομάζεται, για τη Θερμοδυναμική, ΕΡΓΟ (σύμβολο W) Προκειμένου, τώρα, να μελετήσουμε τους Θερμοδυναμικούς Νόμους κάναμε την ακόλουθη

Συμφωνία για τα πρόσημα Θερμότητα που μπαίνει στο σύστημα είναι θετική Q>0 Θερμότητα που βγαίνει από το σύστημα είναι αρνητική Q<0 Αύξηση της εσωτερικής ενέργειας ΔU>0 Μείωση της εσωτερικής ενέργειας ΔU<0 Έργο που μπαίνει στο σύστημα είναι αρνητικό W<0 Έργο που βγαίνει από το σύστημα είναι θετικό W>0