Termodynamika

Termodynamika je věda o vztahu mezi teplem, prací, teplotou a energií.

Co je termodynamika?

Termodynamika je fyzikální obor, který se zabývá teplem, prací a teplotou, jejich vztahem k energii, záření a fyzikálním vlastnostem hmoty. Konkrétně vysvětluje, jak se tepelná energie přeměňuje na jiné formy energie nebo z nich a jak je tímto procesem ovlivňována hmota.

V širším slova smyslu se termodynamika zabývá přenosem energie z jednoho místa na druhé a z jedné formy do druhou formu. Klíčovým pojmem je, že teplo je forma energie odpovídající určitému množství mechanické práce.

Slovo termodynamika pochází z z řeckého slova thermos , což znamená teplo, a dynamis , což znamená síla. Místo toho, aby byla termodynamika řazena do skupiny chemie, je součástí skupiny fyziky.

Termodynamika je v podstatě věda, která studuje změny teploty, tlaku a objemu fyzikálních systémů

v makroskopickém měřítku pomocí analýzy kolektivního pohybu jejich částic na základě pozorování a statistiky. Protože teplo znamená energii v pohybu a dynamika je spojena s pohybem; termodynamika studuje pohyb energie a to, jak energie vytváří pohyb.

Teplo bylo oficiálně uznáno jako forma energie až kolem roku 1798,

kdy si britský vojenský inženýr hrabě Rumford (sir Benjamin Thompson) všiml, že při vrtání dělových hlavní může vznikat neomezené množství tepla a že množství vzniklého tepla je úměrné práci vykonané při otáčení tupého vrtacího nástroje. Rumfordův postřeh o úměrnosti mezi vzniklým teplem a vykonanou prací je základem termodynamiky.

Dalším průkopníkem byl francouzský vojenský inženýr Sadi Carnot, který v roce 1824 zavedl koncept tepelného strojního cyklu a princip vratnosti. Carnotova práce se týkala omezení maximálního množství práce, které lze získat z parního stroje pracujícího s vysokoteplotním přenosem tepla jako hnací silou.

Později v tomto století tyto myšlenky rozvinul německý matematik a fyzik Rudolf Clausius do podoby prvního a druhého termodynamického zákona.

Termodynamické zákony jsou:

Nultý zákon termodynamiky. Když jsou dva systémy v tepelné rovnováze s třetím systémem, jsou první dva systémy v tepelné rovnováze mezi sebou. Díky této vlastnosti má smysl používat teploměry jako “třetí systém” a definovat teplotní stupnici.
První termodynamický zákon neboli zákon zachování energie. Změna vnitřní energie systému se rovná rozdílu mezi teplem přidaným do systému z jeho okolí a prací vykonanou systémem na jeho okolí.
Druhý termodynamický zákon. Teplo neproudí samovolně z chladnější oblasti do teplejší, respektive teplo při dané teplotě nelze zcela přeměnit na práci. V důsledku tohoentropie uzavřeného systému neboli tepelná energie na jednotku teploty v čase roste směrem k určité maximální hodnotě. Všechny uzavřené systémy tedy směřují k rovnovážnému stavu, kdy je entropie maximální a není k dispozici žádná energie, která by mohla vykonat užitečnou práci.
Třetí termodynamický zákon. Entropie dokonalého krystalu prvku v jeho nejstabilnější formě směřuje k nule s teplotou blížící se absolutní nule. To umožňuje stanovit absolutní stupnici entropie, která ze statistického hlediska určuje míru náhodnosti nebo neuspořádanosti systému.

Přestože se termodynamika v 19. století rychle rozvíjela v reakci na potřebu optimalizovat výkon parních strojů, díky široké obecnosti jsou termodynamické zákony použitelné pro všechny fyzikální a biologické systémy. Zákony termodynamiky poskytují zejména úplný popis všech změn energetického stavu jakéhokoli systému a jeho schopnosti vykonávat užitečnou práci na svém okolí

Zákony termodynamiky jsou základní principy, kterými se řídí chování energie a přenos tepla ve fyzikálních systémech.

Existují čtyři termodynamické zákony, přičemž první tři jsou nejznámější a nejčastěji studované:

První zákon termodynamiky (zákon zachování energie):

Tento zákon říká, že v izolovaném systému nelze energii vytvořit ani zničit. Lze ji pouze převádět nebo přeměňovat z jedné formy na druhou.

Celková energie uzavřeného systému zůstává konstantní a každá změna energie se vysvětluje přenosem tepla nebo prací vykonanou na systému nebo systémem.

První termodynamický zákon (zákon zachování energie): Tento zákon říká, že energie je jako zvláštní druh “věci”, kterou nelze vytvořit ani zničit. Může se pouze měnit z jedné formy na druhou. Například když máte autíčko na hraní a tlačíte ho, dodáváte mu energii. Energie, kterou do něj vložíte, může autíčko rozpohybovat. Nemůžete však způsobit, aby se energie objevila z ničeho nic nebo aby zcela zmizela.

Druhý termodynamický zákon (zákon entropie):

Tento zákon se zabývá pojmem entropie, která je mírou neuspořádanosti nebo nahodilosti v systému.

Druhý zákon má několik tvrzení, ale běžné tvrzení je, že entropie izolovaného systému má tendenci v čase růst. To znamená, že přírodní procesy mají tendenci směřovat ke stavu většího nepořádku nebo náhodnosti.

Dalším výrokem druhého zákona je, že teplo samovolně přechází z teplejšího tělesa na chladnější těleso a že není možné zcela přeměnit teplo na práci bez dalších vlivů.

Druhý termodynamický zákon (zákon entropie): Tento zákon se týká toho, jak se věci stávají chaotickými nebo neuspořádanými. Je to, jako když si uklidíte pokoj, ale po nějaké době v něm bude zase nepořádek. Tento zákon říká, že věci mají tendenci být v průběhu času stále nepořádnější nebo neuspořádanější. Je to prostě způsob, jakým se věci přirozeně dějí. Například když si dáte hrnek horkého kakaa a necháte ho ležet na stole, postupně vychladne a získá stejnou teplotu jako místnost. Je to proto, že teplo se rádo rozptyluje a rovnoměrněji rozkládá.

Třetí termodynamický zákon (zákon absolutní nuly):

Tento zákon říká, že jak se teplota systému blíží absolutní nule (0 Kelvinů neboli -273,15 stupňů Celsia), entropie systému se také blíží minimu nebo nulové hodnotě. Zjednodušeně řečeno, teploty absolutní nuly nelze dosáhnout konečným počtem procesů.

Třetí termodynamický zákon (zákon absolutní nuly): Tento zákon se týká teploty a toho, jak chladné věci mohou být. Zákon říká, že nikdy nelze dosáhnout teploty zvané absolutní nula, což je nejchladnější možná teplota. Je to, jako byste se snažili něco ochlazovat donekonečna, ale nikdy se nemůžete dostat na teplotu, při které se všechno přestane úplně hýbat.

Zerothův termodynamický zákon:

Kromě těchto tří zákonů existuje ještě Zerothův termodynamický zákon, který je základem pojmu teplota a tepelná rovnováha.

Zerothův zákon říká, že pokud jsou dvě soustavy samostatně v tepelné rovnováze s třetí soustavou, jsou v tepelné rovnováze i mezi sebou navzájem. To umožňuje definovat pojem teploty a poskytuje základ pro její měření a porovnávání.

Termodynamické zákony mají široké uplatnění v různých vědeckých a technických oborech, včetně fyziky, chemie, biologie, strojírenství a ekologie. Pomáhají vysvětlovat a předpovídat chování energie a tepla v systémech a umožňují navrhovat a optimalizovat účinné procesy a technologie přeměny energie.