SLOVNÍK POJMOV: Termodynamika – kľúčový pojem pre tepelné čerpadlá?

Termodynamika

Čo je termodynamika?

Termodynamika je veda, ktorá sa zaoberá vzťahmi medzi teplom, prácou, teplotou a energiou. Študuje, ako sa energia v systéme mení, ako sa prenáša medzi rôznymi formami a aké sú možnosti vykonania užitočnej práce v systéme. Základné zákony termodynamiky popisujú, ako energia v systéme cirkuluje a ako sa mení stav systému pri rôznych fyzikálnych a chemických procesoch.

V podstate termodynamika sleduje, ako sa teplo (ako forma energie) mení na mechanickú prácu a naopak, pričom študuje aj stavové veličiny ako teplota, tlak a objem, ktoré sú kľúčové pri analýze systémov.

Termodynamika a fyzika nám slúžia ako pevný základ princípov fungovania tepelných čerpadiel

Termodynamika a fyzika ako pevný základ princípov fungovania tepelných čerpadiel

Áno, termodynamika je dôležitou súčasťou fyziky. Študuje, ako energia a teplo prúdia v rámci systému, a ako tieto energie ovplyvňujú hmotu a jej správanie. Termodynamika ukázala, že teplo je formou energie (tepelná energia), ktorá môže byť priamo premenená na mechanickú prácu. Základným konceptom je, že keď sa vykonáva mechanická práca, dochádza k zmene energie v systéme, pričom táto práca môže byť vykonaná len na základe prenosu tepla, ktoré zvyšuje teplotu systému alebo prostredia.

Základné princípy termodynamiky

Termodynamika je založená na štyroch základných zákonoch (známych aj ako vetách), ktoré opisujú vzťahy medzi teplom, energiou a prácou v systémoch:

0. Zerothov “nultý” zákon termodynamiky: Ak sú dva systémy v teplotnej rovnováhe s tretím systémom, sú v rovnováhe aj medzi sebou. Tento zákon definuje koncept teploty a umožňuje jej meranie. Je známy aj ako “nultý” zákon termodynamiky (alebo “nultá veta termodynamická”) aj keď bol prijatý ako posledný a normálne by mal byť 5. termodynamickým zákonom či vetou. Hoci bol tento zákon formulovaný až začiatkom 20. storočia ako zatiaľ posledný, jeho dôležitosť je taká zásadná, že bol pomenovaný “nultý”, pretože predchádza všetkými ostatnými termodynamickými zákonmi. Zaisťuje základný princíp, podľa ktorého sú definované teploty a rovnovážne stavy.

Zerothov zákon termodynamiky je jeden zo základných princípov termodynamiky, ktorý sa zaoberá teplotnou rovnováhou. Tento zákon hovorí, že ak sú dve telesá, označené ako A a B, v rovnovážnom stave (majú rovnakú teplotu) a zároveň je teleso B v rovnováhe s tretím telesom C, potom aj telesá A a C budú v rovnováhe. Tento princíp je kľúčový pre meranie teploty a vysvetľuje, ako je možné porovnávať teploty pomocou teplomerov.

Formulácia Zerothovho zákona:

Ak teleso A je v tepelnej rovnováhe s telesom B, a teleso B je v rovnováhe s telesom C, tak aj teleso A bude v rovnováhe s telesom C.

Význam pre teplotné meranie:

Tento zákon je dôležitý pri kalibrácii teplomerov. Ak kalibrujeme teplomer (teleso B) podľa referenčného telesa (teleso A), môžeme týmto teplomerom presne zmerať teplotu iného telesa (teleso C) bez toho, aby sme potrebovali priamy kontakt medzi referenčným telesom a telesom C.

Zerothov zákon poskytuje základné pochopenie toho, ako funguje tepelná rovnováha a je nevyhnutný pre všetky aspekty merania teploty a aplikácie v termodynamike.
 

1. Prvý zákon termodynamiky (Planck – Kelvinov) (alebo “prvá veta termodynamická” či “zákon zachovania energie”): Tento zákon hovorí o zachovaní energie. Energia nemôže byť vytvorená ani zničená, iba sa mení z jednej formy na druhú. To znamená, že ak sa do systému pridá teplo, buď sa zvýši vnútorná energia systému, alebo systém vykoná prácu.

Delta U = Q – W
 

Kde:

• Delta U je zmena vnútornej energie systému
• Q je teplo dodané systému
• W je práca vykonaná systémom

Prvý zákon termodynamiky, tiež nazývaný zákon zachovania energie, vyjadruje princíp, že energia sa nemôže zničiť ani vytvoriť, ale môže sa len premieňať z jednej formy na inú. Tento zákon možno formulovať nasledovne:

Zmena vnútornej energie systému U je rovná súčtu tepla Q dodaného do systému a práce W vykonanej systémom.
 

Vysvetlenie princípu:

1. Teplo Q  je energia, ktorá sa prenáša medzi systémom a jeho okolím v dôsledku teplotného rozdielu. 
2. Práca W  je mechanická energia prenesená do systému alebo zo systému prostredníctvom sily pôsobiacej na určitej dráhe.

To znamená, že keď pridáme teplo do uzavretého systému, môže to zvýšiť vnútornú energiu systému alebo vykonať prácu, napríklad pohyb piestu v motore ale aj kompresore.

Príklad aplikácie:

Ak do plynu v uzavretej nádobe dodáme teplo, môže to zvýšiť jeho teplotu (čo znamená zvýšenie vnútornej energie plynu) alebo plynové molekuly vykonajú prácu tým, že napríklad roztiahnu nádobu (posunutím pohyblivého piestu). Presne tento proces sa deje aj v tepelných čerpadlách.

Energia v uzavretých systémoch:

V prípade uzavretého systému, ktorý nemôže meniť svoj objem alebo vykonávať prácu, sa všetka dodaná energia prejaví ako zmena vnútornej energie (zvýšenie teploty, chemických procesov, atď.).

Prvý zákon termodynamiky je zásadný pre pochopenie energetických procesov v systémoch, ako sú motory, chladiace zariadenia alebo biologické systémy, kde sa energia neustále premieňa medzi rôznymi formami.

Význam:

Tento zákon platí pre všetky fyzikálne procesy, či už ide o procesy v mechanike, elektrotechnike, chémii alebo biológii. Podčiarkuje, že energia systému sa môže zvyšovať alebo znižovať, ale nikdy sa nestráca.

Prvý termodynamický zákon preto poskytuje pevný základ pre štúdium a analýzu energetických tokov a premien v rôznych fyzikálnych procesoch.

2. Druhý zákon termodynamiky: (alebo “druhá veta termodynamická”) Tento zákon zavádza pojem entropie, čo je miera neusporiadanosti systému. Druhý zákon tvrdí, že entropia izolovaného systému nikdy neklesá – vždy buď rastie, alebo zostáva rovnaká. Inými slovami, tepelné procesy prebiehajú spontánne iba tým smerom, ktorý zvyšuje neusporiadanosť systému.

Druhý zákon termodynamiky, ktorý je formulovaný viacerými spôsobmi, vyjadruje základné princípy obmedzení v procesoch premeny tepla na prácu. Tu sú tri hlavné formulácie:

Formulácia a):

Teplo nemôže spontánne prechádzať z chladnejšieho miesta na teplejšie. Tento jednoduchý princíp vyjadruje prirodzený smer prenosu tepla – vždy z teplejšieho telesa na chladnejšie. Znamená to, že teplo sa samo od seba nemôže presunúť z chladného telesa na teplé, pokiaľ k tomu nedôjde za pomoci vonkajších síl alebo energie.

Formulácia b) – Planckova-Kelvinova formulácia:

Nie je možné zostrojiť perpetuum mobile druhého druhu. To znamená, že neexistuje tepelný stroj, ktorý by pracoval cyklicky, prijímal teplo z teplejšieho telesa a premieňal toto teplo plne na prácu bez ďalších vplyvov. Vždy dôjde k určitému úniku tepla alebo k tomu, že časť tepla sa stratí bez vykonania užitočnej práce. Táto formulácia vyjadruje nemožnosť vytvorenia ideálneho stroja, ktorý by pracoval donekonečna len z dostupnej tepelnej energie.

Formulácia c) – Clausiusova formulácia:

Nemožno vytvoriť zariadenie, ktoré by pracovalo cyklicky a prenášalo teplo z telesa s nižšou teplotou na teleso s vyššou teplotou bez toho, aby nevytváralo iný efekt. To znamená, že na prenesenie tepla z chladnejšieho miesta na teplejšie je potrebná dodatočná práca, čo je presne prípad chladničiek či tepelných čerpadiel. Tento princíp opäť zdôrazňuje prirodzený tok tepla.

Význam:

Všetky tieto formulácie spoločne znamenajú, že tepelná energia sa nemôže samovoľne premieňať na mechanickú prácu. Maximálna účinnosť premeny tepla na prácu je dosiahnuteľná len v prípade ideálneho tepelného stroja, ktorý pracuje v Carnotovom cykle. Tento cyklus predstavuje teoretickú hranicu, ktorú v praxi žiadny reálny tepelný stroj nedosiahne.

3. Tretí zákon termodynamiky: Tento zákon uvádza, že pri dosiahnutí absolútnej nuly (0 K) entropia dokonale usporiadaného kryštálu dosahuje nulovú hodnotu. Znamená to, že už nie je možné ďalej odstraňovať teplo zo systému.

Tretí zákon termodynamiky, známy aj ako Nernstov zákon, hovorí o správaní systémov pri dosahovaní absolútnej nuly, teda pri teplote 0 kelvinov (−273,15 °C). Tento zákon stanovuje, že entropia dokonale usporiadaného kryštálu sa pri dosiahnutí absolútnej nuly rovná nule.

Čo je entropia?

Entropia je mierou neusporiadanosti systému. Vyjadruje, ako je energia v systéme rozložená medzi rôzne mikroskopické stavy (ako sú rôzne pozície, vibrácie alebo rotácie častíc). Pri nižších teplotách sa tieto stavy stávajú viac obmedzenými a čím je systém bližšie k absolútnej nule, tým viac sa častice systému usporiadajú do najnižšieho možného energetického stavu.

Kľúčové tvrdenia tretieho zákona:

1. Entropia sa pri absolútnej nule blíži k nule: Pre dokonale usporiadané systémy, ako je kryštál, je na absolútnej nule entropia nulová, pretože v tomto stave neexistuje žiadna neusporiadanosť alebo rozptyl energie.
2. Nie je možné dosiahnuť absolútnu nulu: Tretí zákon tiež implikuje, že nie je možné dosiahnuť absolútnu nulu v konečnom počte krokov. Systém sa môže k tejto hodnote približovať, ale nikdy ju úplne nedosiahne.

Význam tretieho zákona termodynamiky
Tento zákon je kľúčový pre pochopenie vlastností látok pri extrémne nízkych teplotách, čo má význam pre oblasti ako kryogénia, supervodivosť a kvantová mechanika. Na základe tretieho zákona môžu fyzici a chemici predpovedať správanie látok, keď sa ochladzujú na veľmi nízke teploty, kde ich vlastnosti môžu byť veľmi odlišné od správania pri bežných teplotách.

Záverom, tretí zákon termodynamiky nám poskytuje pohľad na konečné hranice entropie a energetického usporiadania systémov, pričom jeho praktické dôsledky nájdeme v pokrokoch v technológiách s nízkymi teplotami.

Aplikácie termodynamiky

Termodynamika sa uplatňuje v širokej škále oblastí, od inžinierstva a chémie po biologické procesy a ekonómiu. Napríklad v energetike sa termodynamické princípy používajú na zlepšenie účinnosti elektrární alebo motorov. V chémii umožňuje predpovedať priebeh chemických reakcií a v meteorológii vysvetľuje vzory počasia a klimatické zmeny.

Pre systémy, ako sú tepelné čerpadlá a klimatizácie, je dôležité pochopiť, ako sa energia mení z jedného stavu na druhý a ako sa dá efektívne využiť teplo na dosiahnutie optimálnych podmienok.

Prečo je termodynamika dôležitá?

Termodynamika poskytuje základ pre pochopenie, ako fungujú energetické systémy, čo je nevyhnutné pre vývoj nových technológií, napríklad v oblasti obnoviteľných zdrojov energie. Okrem toho je neoddeliteľnou súčasťou rôznych priemyselných procesov, kde je dôležité maximalizovať efektivitu a minimalizovať straty energie.

Termodynamika nám tak umožňuje lepšie pochopiť zákony, ktoré riadia fungovanie nášho sveta, od mikroskopických procesov v molekulách až po makroskopické systémy ako celé energetické siete a samozrejme v tom všetkom nájdeme aj tepelné čerpadlá.

Závery plynúce z termodynamiky:

Termodynamika je kľúčovou oblasťou fyziky, ktorá nám umožňuje pochopiť a riadiť procesy týkajúce sa tepla, práce a energie v prírode a technike. Jej zákony sú základom pre vývoj technológií a udržateľných riešení ako sú aj tepelné čerpadlá, ktoré zlepšujú našu každodennú realitu.