תרמודינמיקה

מערכת תרמודינמית טיפוסית. חום עובר מדוד חימום למעבה והופך אנרגיית חום לעבודה

תרמודינמיקה היא 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 אשר אי אפשר להבחין בהן או למדוד אותן בעזרת התצפיות המקרוסקופיות. בעזרת נתונים מעטים וכלים פשוטים, מעניק ענף זה של הפיזיקה יכולת ניתוח למערכות בהן הוא עוסק.

היסטוריה

היסטורית, התרמודינמיקה התפתחה בצורה אמפירית עקב חקר של יעילות של מנועים ומכונות חום שבהם השתמשו במאה ה-18 ועד המאה ה-20. מדע זה התבסס בעיקר על תצפיות וניסח משוואות שטיפלו בגדלים מקרוסקופיים כגון לחץ, נפח וטמפרטורה - אף על פי 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 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 $\ 6.02\times 10^{23}$ חלקיקים) והיא מתארת 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 ההישגים 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 שרק באמצעות מכניקת הקוונטים אפשר לספור נכון את המצבים המיקרוסקופיים כראוי ולחשב פונקציות ריבוי נכונות.

הגדרות מונחים בתרמודינמיקה

• מערכת - חלק מהמרחב התחום במעטפת מוגדרת היטב.
• מערכת פתוחה - מערכת שבה חומר יכול לעבור בין הסביבה למערכת.
• מערכת סגורה - מערכת שבה חומר אינו יכול לעבור בין הסביבה למערכת, אך אנרגיה יכולה לעבור ביניהן.
• מערכת מבודדת - מערכת שבה לא מתאפשר מעבר הן של חומר והן של אנרגיה בין הסביבה למערכת.
• תכונה ראשונית - תוצאה של ניסויי שניתן לבצע על מערכת בלי ידע מוקדם עליה ומבלי צורך לשנות את המערכת. למשל: נפח, אורך, מסה, צפיפות, טמפרטורה, לחץ.
• תכונה נגזרת - תכונה שאי אפשר למדוד אותה, על ידי ניסוי ישיר, מבלי לגרום שינוי במערכת.
• תכונה אקסטנסיבית - תכונה התלויה בכמות החומר במערכת. למשל: נפח, מסה.
• תכונה אינטנסיבית - תכונה שאינה תלויה בכמות החומר במערכת. למשל: צפיפות, נפח סגולי, אנרגיה סגולית, אנתלפיה סגולית.
• מצב (תרמודינמיקה) - אוסף כל התכונות הראשוניות של המערכת.
• סביבה - כל מה שנמצא מחוץ למערכת ויכול להשפיע עליה.
• אינטראקציה - סוג ההשפעה של המערכת על הסביבה ולהפך.

• שיווי משקל - מצב שאינו ניתן לשינוי בלי אינטראקציה עם הסביבה. במצב שיווי משקל אין שינוי בתכונות המקרוסקופיות של המערכת.

קיימים 4 סוגים של שווי משקל:

• יציב - תמיד חוזר למצב שווי משקל ההתחלתי שהיה למערכת, עבור כל הפרעה. לדוגמה - חרוט המונח על בסיסו
• רופף - שינוי קל גורם לשינוי גדול במערכת. לדוגמה - חרוט מונח על קודקודו
• אדיש - שינוי קל מוציא ממצב שיווי משקל את המערכת. לדוגמה חרוט מונח על צידו.
• מֶטָסְטָבִּילי - יציבות חלקית. גודל ההפרעה לשיווי המשקל קובעת את המעבר למצב שיווי המשקל החדש.

חוקי התרמודינמיקה

לתרמודינמיקה ארבעה חוקים מרכזיים:

• חוק האפס של התרמודינמיקה, חוק השקילות (טרנזיטיביות) של שיווי המשקל התרמי - 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 אינה נעלמת ואינה נוצרת יש מאין. אבל החוק מוסיף עוד צורה של מעבר אנרגיה אל המערכת (או ממנה), וזהו החום. הניסוח המתמטי של החוק הוא: $\ \Delta U=Q-W$ כאשר U היא האנרגיה הפנימית, W העבודה שנעשתה על ידי 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 בתגובות כימיות. ניסוחו היותר מדויק הוא: במערכת מבודדת, בתהליך ספונטני, האנטרופיה יכולה רק לגדול.
• החוק השלישי של התרמודינמיקה - בטמפרטורה של האפס המוחלט (273.15- מעלות צלזיוס), האנטרופיה שווה לאפס או ליתר דיוק ללוגריתם של ניוון רמת היסוד.

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, נצילות ויעילות, מנועים.
• מצבי צבירה ומעברי פאזה.

עיינו גם בפורטל פורטל הפיזיקה מהווה שער לחובבי הפיזיקה ולמתעניינים בתחום. בפורטל תוכלו למצוא מידע על פיזיקאים חשובים, על ענפי הפיזיקה, על תאוריות פיזיקליות ועוד.

ראו גם

• מצבי צבירה
• מנוע קרנו

קישורים חיצוניים

• אבני דרך, עשר התגליות הגדולות בפיזיקה ובאסטרונומיה, באתר ifeel
• סרטון של מי סודה שקוררו מעבר לנקודת הקיפאון כך שהם במצב מטה סטיבלי, שמופר עם פתיחת הפקק, דבר הגורם לקיפאון מיידי. צולם במרכז אילן רמון לנוער שוחר פיזיקה במהלך ליל המדענים 2010

הערך באדיבות ויקיפדיה העברית, קרדיט,
רשימת התורמים
רישיון cc-by-sa 3.0