A termodinamika törvényei

Meghatározhatjuk a termodinamika két egyszerű módon: a hő- és hőgépek tudománya vagy az egyensúlyban lévő nagy rendszerek tudománya. Az első meghatározás egyben a történelemben is. A második később következett, Ludwig Bolzmann úttörő munkájának köszönhetően.
A statisztikai fizikával együtt, amelynek ma már része, a termodinamika az egyik nagy elmélet, amelyen az anyag jelenlegi megértése alapul.

Tipikus termodinamikai rendszer - a hő forróból (párologtató) hidegbe (kondenzátor) megy át, és a munkát kivonják.

A hő és a hőmérséklet fogalma a termodinamika legalapvetőbb. A termodinamikát minden olyan jelenség tudományaként definiálhatjuk, amely függ a hőmérséklettől és annak változásaitól.

Hő és hőmérséklet

Mindenkinek van intuitív ismerete a hőmérséklet fogalmáról. A test meleg vagy hideg, attól függően, hogy hőmérséklete magasabb vagy alacsonyabb. De a pontos meghatározás nehezebb. A klasszikus termodinamika egyik legnagyobb sikere a 19. században az, hogy meghatároztuk a test abszolút hőmérsékletét: kelvinben mérjük, abszolút nulla = nulla kelvin = -273,15 Celsius fok (hozzávetőlegesen).
A hőt még nehezebb meghatározni. Egy régi elmélet, amelyet különösen Lavoisier védett, egy speciális folyadéknak (láthatatlan, áttekinthetetlen vagy szinte) tulajdonította a hő, a kalória tulajdonságait, amely egyik testből a másikba kering. Minél forróbb a test, annál több kalóriát tartalmazna. Ez az elmélet hamis abban az értelemben, hogy a kalória nem azonosítható konzervált fizikai mennyiséggel. De a termodinamika még mindig értelmet ad a hő fogalmának: ez az energiamennyiség, amelyet egy rendszer, egy másik rendszer vagy a külső környezet cserél.

Termikus gépek

A klasszikus termodinamika a hőgépek tudományaként vagy a tűz hajtóerejének tudományaként indult el.
Sadi Carnot a hőgépek modern tanulmányozását egy alapító tézisben kezdte: Reflexiók a tűz hajtóerejéről és az erő fejlesztésére alkalmas gépekről. Az ebben a disszertációban tanulmányozott Carnot-ciklus továbbra is a hőgépek vizsgálatának fő elméleti példája. A "hajtóerő" helyett ma azt mondjuk, hogy a hőgépek munkát nyújtanak, és arra vagyunk kíváncsiak, hogyan lehet a hőt felhasználni folyamatos munka előállítására.
A milliméteres és jóval kisebb makroszkopikus testek mozgása hőt termelhet, abban az értelemben, hogy a testeket forróbbá teszi. Csak össze kell dörzsölnie a kezét, hogy megvalósítsa. Ezzel szemben a hő mozgásba lendítheti a makroszkopikus testeket.
A példák nagyon sokak. Nevezhetjük őket tűzgépeknek, vagy hőgépeknek. Makroszkopikus rendszerek, amelyek megőrzik mozgásukat, amíg a forró és a hideg rész közötti hőmérséklet-különbség fennmarad.

Példák

Egyszerű gyertya mozgásba hozza a levegőt körülötte. A láng fölé egy frissítés jön létre. Állandóan megújítja az alulról érkező hideg levegő áramlása. Megfigyelhetők egy csendes szobában, tollas tollal, vagy egy másik lánghoz közeledve. Ez egy konvekciós áram.

A tűz fölött egy serpenyőben a víz úgy mozog, mint a gyertya fölött levő levegő, és mint minden folyadék a kellően forró felületek felett. Ha borítót vesz fel, új jelenség lép fel. A gőz felemeli a fedelet, amelyet ezután újra le kell emelni, végtelenül, amíg a tűz vagy a víz el nem merül, ezáltal gőzképződik. Azt mondják, hogy ez az egyszerű megfigyelés, amely bármely konyhában elvégezhető, a gőzgépek találmányához kapcsolódik. A fedél mozgása túl kicsi ahhoz, hogy érdekes legyen. Amint beindul, leáll, mert a gőz, amely nyomja, azonnal elszáll. De ha a fedelet egy hengerbe helyezi, akkor egy dugattyút kap, amelyet gőz vagy bármilyen más gáz tolhat hosszú löket során. A gőzgépeket és a hőmotorokat nem mindig a dugattyú és a henger elvén építik, hanem nagyon gyakran. A többi megoldás nem nagyon különbözik egymástól. Megfontolhatjuk, hogy a serpenyő fedelének tapasztalata minden hőmotor találmányának eredete.