תרמודינמיקה
מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
תרמודינמיקה הינה ענף בפיזיקה הקלאסית, העוסק בחקר האנרגיה, התמורות שהיא עוברת בין מופעים שונים שלה, והיכולת של אנרגיה לבצע עבודה.
התרמודינמיקה מנסה להבין ולנתח את התמורות והאנרגיות ה'נסתרות' בחומר, כגון חוֹם ואנטרופיה. תמורות ואנרגיות אשר אי אפשר להבחין בהן או למדוד אותם בעזרת התצפיות המקרוסקופיות. בעזרת נתונים מעטים וכלים פשוטים מעניק ענף זה של הפיזיקה יכולת ניתוח מרשימה למערכות בהן הוא עוסק.
תוכן עניינים |
[עריכה] היסטוריה
היסטורית, התרמודינמיקה התפתחה בצורה אמפירית עקב חקר של יעילות של מנועים ומכונות חום שבהם השתמשו במאה ה 19. מדע זה התבסס בעיקר על תצפיות וניסח משוואות שטיפלו בגדלים מקרוסקופיים כגון לחץ, נפח וטמפרטורה - למרות שלא הייתה הבנה מלאה של מושגים אלה. חוקי התרמודינמיקה נוסחו כחוקים אמפיריים, כלומר: כמסקנה המכלילה תצפיות ניסיונית, מבלי שניתן להם צידוק או הסבר יסודי יותר.
במאה ה-19 החלו מדענים דוגמת לודוויג בולצמן ואלברט איינשטיין לפתח תורה קינטית של החום המסבירה את התופעות של התרמודינמיקה באמצעות ההנחה שהחומר מורכב מחלקיקים קטנים, הנקראים אטומים, למשל: המודל של גז אידאלי דליל הוא אוסף כדורים קופצניים וקטנים הנעים במהירות לכל עבר, מבלי שהם מבצעים אינטראקציה אחד עם השני. התורה האטומיסטית הוכיחה את עצמה מעל ומעבר בהסברת התופעות וחוקי התרמודינמיקה, אך עד למאמר המפורסם של איינשטיין בנוגע לתנועה בראונית עדיין היה ספק בקרב קהילת הפיזיקאים בנוגע לקיומם של אטומים.
לפי התורה האטומיסטית, התרמודינמיקה היא תורה סטטיסטית הדנה בצברים עצומים (בסדר גודל של מספר אבוגדרו 
חלקיקים) ומה שהיא מתארת זה בעצם תכונות מקרוסקופיות של הצבר וממוצעים. באמצעות תורה זו הוסקו מספר תובנות מעניינות לגבי מושגים בתרמודינמיקה שעד אז לא הייתה הבנה מלאה שלהם:
- מצב מקרוסקופי הוא מצב המאופיין רק באמצעות התכונות של כלל המערכת, שאותן ניתן למדוד, כגון אנרגיה, נפח, טמפרטורה, לחץ וכו.
- מצב מיקרוסקופי הוא מצב המאופיין במיקום ובתנע של כל חלקיק במערכת. בפועל, עבור מערכות גדולות לא ניתן למדוד מצבים כאלה או לחשב את הדינמיקה שלהם באופן אנליטי ומדויק.
- מצב שיווי משקל תרמודינמי לפי תורה זו הוא המצב המקרוסקופי המסתבר ביותר של המערכת.
- אנטרופיה היא מדד אדדיטיבי לריבוי המצבים המיקרוסקופיים האפשריים של המערכת עבור מצב מקרוסקופי נתון.
- טמפרטורה היא מדד לאנרגיה הקינטית הממוצעת של המערכת.
למרות ההשגים הגדולים הללו, תורה זו עדיין לא הייתה מושלמת.
ב 1904 ו 1905 פרסם אלברט איינשטיין סדרת מאמרים שהניחה את הבסיס למכניקה הסטטיסטית. במאמריו ניתח איינשטיין דווקא את הסטיות מהממוצע והראה שבאמצעותן אפשר ללמוד הרבה על הפיזיקה של המערכת.
השלב הבא בהתפתחות התרמודינמיקה שילב את מכניקת הקוונטים במכניקה הסטטיסטית. שילוב זה היה מהותי מאחר ורק באמצעות מכניקת הקוונטים אפשר לספור נכון את המצבים המיקרוסקופיים כראוי ולחשב פונקציות ריבוי נכונות.
[עריכה] חוקי התרמודינמיקה
לתרמודינמיקה ארבעה חוקים מרכזיים:
- חוק האפס של התרמודינמיקה, חוק השקילות של שיווי המשקל - אם מערכות A ו B בשיווי משקל תרמי זו עם זו וגם מערכות B ו C בשיווי משקל תרמי זו עם זו, אזי גם מערכות A ו C בשיווי משקל תרמי זו עם זו.
- החוק הראשון של התרמודינמיקה, הוא הרחבה של חוק שימור האנרגיה. אנרגיה לא נעלמת ולא נוצרת יש מאין. אבל החוק מוסיף עוד צורה של מעבר אנרגיה אל המערכת (או ממנה), וזהו החום. הניסוח המתמטי של החוק הוא:
כאשר U היא האנרגיה הפנימית, W העבודה שנעשתה על המערכת ו- Q החום שזרם אליה. - החוק השני של התרמודינמיקה - מערכת תשאף תמיד לרמת האנטרופיה (אי-הסדר) הגבוהה ביותר, וכן לרמת האנרגיה הנמוכה ביותר. חוק זה בא לידי ביטוי בעיקר בריאקציות כימיות. ניסוחו היותר מדויק הוא: במערכת סגורה, בתהליך ספונטני, האנטרופיה יכולה רק לגדול.
- החוק השלישי של התרמודינמיקה- בטמפ' של 0 מעלות קלוין (273.15- מעלות צלזיוס), האנטרופיה שווה לאפס או לניוון של רמת היסוד.
[עריכה] נושאים בתרמודינמיקה
- משוואות מצב - קשרים בין לחץ, צפיפות וטמפרטורה.
- תורה קינטית של הגזים ובייחוד מודל גז אידאלי.
- גזים קוונטים:
- גז פרמיונים מנוון
- עיבוי בוז-איינשטיין
- תורה קינטית של החום.
- חקר האנרגיה - מעברי אנרגיה, חום ועבודה, מעברי חום, ניצולת ויעילות, מנועים.
- מצבי צבירה ומעברי פאזה.
[עריכה] ראו גם
| נושאים בפיזיקה |
|---|
|
מכניקה קלאסית | אלקטרומגנטיות | תורת היחסות | פיזיקת חלקיקים | תורת השדות הקוונטית | מכניקת הקוונטים | פיזיקת מצב מעובה | מכניקה סטטיסטית | תרמודינמיקה |
