Termodinamika

Nga Wikipedia, enciklopedia e lirë
Shko te: navigacion, kërko
Një sistem termodinamik tipik – nxehtësia lëviz nga dhoma e nxehtë (boileri) tek (kondensuesi) i ftohtë dhe nga ky proçes përftohet puna

Termodinamika (prej gj.greke thermos që do të thotë nxehtësi dhe dynamis që do të thotë energji/fuqi) është degë e fizikës që studion ndikimin e ndërrimit të temperaturës, shtypjes dhe vëllimit në sistemet fizike të madhësisë makroskopike përmes analizimit të lëvizjeve kolektive të grimcave të tyre, duke përdorur statistikën. Përafësisht, nxehtësi do të thotë “energji në tranzit (lëvizje)” dhe dinamika ka të bëj me “lëvizje/transferim”; kështu që në thelb termodinamika studion lëvizjen e energjisë dhe se si energjia shndërrohet.

Përmbledhje[redakto | redakto tekstin burimor]

Pika e fillimit për çdo faktor termodinamik janë ligjet e termodinamikës, të cilat theksojnë se energjia mund të transferohet/shndërrohet në mes sistemeve fizike, në trajtë të nxehtësisë ose punës. Ato gjithashtu thonë se ekziston një madhësi e quajtur entropi, e cila mund të përcaktohet për çdo sistem. Në termodinamikë, bashkëveprimet mes ansambleve të mëdha të objekteve janë studiuar dhe kategorizuar. Kryesore me këto janë konceptet e sistemit dhe rrethinës. Një sistem është i përbërë prej grimcave, lëvizja mesatare e të cilave përcakton vetitë, tëcilat siç duhet janë të lidhura me njëra tjetrën me ekuacionin e gjendjes. Vetitë mund të bashkohen e të shprehin energjinë e brendshme, dhe potencialet termodinamike përdoren për të caktuar konditat/kushtet për ekuilibër dhe procese spontane.

Me këto mjete, termodinamika përshkruan se si sistemi i përgjigjet ndërrimeve në rrethinë. Këto mund të aplikohen gjerësisht në tema të ndryshme të shkencave dhe teknologjive si: motorët, kalimet fazore, reaksionet kimike, fenomenin e transportit, madje edhe në vrimat e zeza. Përfundimet e termodinamikës janë esenciale për fushat e tjera të fizikës, kimisë, inxhinerisë kimike, citologjisë, biomedicinës inxhinerike etj.

Historik i zhvillimit të termodinamikës[redakto | redakto tekstin burimor]

Sadi Carnot "babai" i termodinamikës

Një histori e shkurtër e termodinamikës fillon me shkencëtarin gjerman Otto von Guericke, i cili në vitin 1650 dizajnoi dhe ndërtoi pompën e parë të vakumit në botë dhe krijoi vakumin e parë ndonjëherë në botë i njohur si hemisferat e Magdeburg – ut. Ai u shtyt ta bëjë vakumin/boshllëkun në mënyrë që ta përgënjeshtrojë/hedh poshtë supozimin e gabuar e të mbajtur një kohë të gjatë të Aristotelit se “Natyra e urren vakumin”. Pak kohë më pas fizkani dhe kimisti irlandez, Robert Boyle mësoi për konstruktimet e Guericke – s dhe më 1656 në koordinim me shkencëtarin anglez Robert Hooke, ndërtoi një pompë ajri. Me këtë pompë, Boyle dhe Hooke vërejtën korelacionin shtypje – temperaturë – vëllim. Në këtë kohë, ligji për gazin ideal u formulua. Më pas më 1679, bazuar në të njejtat koncepte, një koleg i Robert Boyle – it i quajtur Denis Papin konstruktoi një tretës të eshtrave/“bone digester” që është një enë e mbyllur fort me një kapak të përshtatshëm, që e kufizon avullin të dali derisa të nxirret presion i lartë.

Konstruktimet e mëvonshme implementuan një valvulë që lëshonte avullin, e cila e ruante makinën prej eksplodimit. Duke e shikuar valvulën ritmikisht që shkonte posht – lart, Papini e konceptoi/mendoi idenë e motorit/makinës me piston dhe cilindër. Sidoqoftë ai nuk e konstruktoi atë. Megjithatë, më 1697, i bazuar në dizajnet/planet e Papin – it inxhinieri/makinisti Thomas Savery ndërtoi makinën e parë. Edhepse këto makinat e hershme ishin të pa takt/papërpunuara dhe jo efikase, ato tërhoqën vëmendjen e shkencëtarëve kryesorë të kohës. Një shkencëtar i tillë ishte, Sadi Carnot, “babai i termodinamikës”, i cili më 1824 botoi veprën “Reflections on the motive power of fire” (Reflektim/pasqyrim në fuqinë lëvizëse të zjarrit), një ligjërim për nxehtësinë, fuqinë, dhe efikasitetin e makinave. Kjo shënon fillimin e termodinamikës si shkencë moderne.

Termodinamika klasike[redakto | redakto tekstin burimor]

Termodinamika klasike është variacion i termodinamikës, i viteve të hershme të 1880, që u mor me gjendjet termodinamike, dhe vetitë si energjia, puna dhe nxehtësia dhe me ligjet e termodinamikës, por të gjithave u mungonte interpretimi atomik. Në formë paraprake, termodinamika klasike buron prej fizikanit Robert Boyle, i cili më 1662 theksoi se shtypja/presioni p për një sasi të dhënë gazi ndryshon anasjelltas me vëllimin V në temperaturë konstante; forma e ekuacionit pV = k, konstante. Prej këtu, një ngjasim i termo – shkencave filloi të zhvillohet me konstruksionin e makinës së parë me avull/atmosferik në Angli nga Thomas Savery në 1697 dhe Thomas Newcomen në 1712. Ligji i parë dhe i dytë dolën në të njejtën kohë më 1850, së pari nga punimet e William Rankine, Rudolf Clausius dhe William Thomson (Lord Kelvin). Në fund – Lordi Kelvin e sajoi termin termodinamikë më 1849 në botimin e “An account of Carnot’s theory of the motive power of heat”. Libri i parë i mësimit të termodinamikës u shkrua më 1859 nga William Rankine, një qytetar dhe profesor i inxhinerisë mekanike në Universitetin e Glasgow – it.

Termodinamika statistike[redakto | redakto tekstin burimor]

Me zhvillimin e teorisë molekularo – atomike në vitet e vona të 1880 dhe viteve të hershme të 1900, termodinamikës iu dha një interpretim molekular. Kjo fushë u quajt termodinamikë statistike, e cila mund të mendohet si një urë lidhëse në mes parametrave makro dhe mikroskopikë të sistemit. Esencialisht, statistika termodinamike është një afrim i termodinamikës me statistikën mekanike, e cila përqendrohet derivimin/rrjedhojën e rezultateve makroskopike prej fillesave të para. Mund t’i kundërvihet parardhësit historik termodinamikës fenomenale, e cila jep përshkrime shkencore të fenomeneve duke iu shmangur detaleve mikroskopike. Qasja statistike është të përfitojë të gjitha parametrat makroskopikë (temperatura, vëllimi, shtypja, entropia etj.) prej parametrave të grimcave përbërëse në lëvizje dhe bashkëveprimit të tyre (duke përfshirë edhe fenomenin/dukurinë e kuanteve). Është demonstruar mjaft e suksesshme, prandaj përdoret shpesh.

Termodinamika kimike[redakto | redakto tekstin burimor]

Termodinamika kimike studion raportin e nxehtësisë me reaksionet kimike ose me ndryshimet fizike të gjendjes pa kufizimin e ligjeve të termodinamikës. Gjatë viteve 1873 – 76 matematikani – fizikani amerikan Wiilard Gibbs botoi tre teori/letra më e famshmja ishte On the Equilibrum of Heterogeneous Substances, në të cilën ai tregoi se si proceset termodinamike mund të analizohen grafikisht, duke studiuar energjinë, entropinë, vëllimin, temperaturën dhe shtypjen e sistemit termodinamik, në atë mënyrë që të kuptohet se a do të ndodhte procesi spontanisht. Gjatë viteve të hershme të shek.XX, kimistë si Gilbert Lewis, Merle Randall dhe E. A. Guggenheim filluan të aplikojnë metodat matematike të Gibbs – it për të analizuar proceset kimike.


Sistemet termodinamike[redakto | redakto tekstin burimor]

Një koncept i rëndësishëm në termodinamikë është “sistemi”. Sistemi është një regjion i universit nën studim. Sistemi është i ndarë prej pjesës tjetër të universit me kufi, i cili mund të jetë i imagjinuar ose jo, por, i cili me marrëveshje zë një vëllim të përcaktuar (i ka kufijtë e caktuar). Ndryshimet e mundshme në punë, nxehtësi ose shkëmbim të materies mes sistemit dhe rrethinës bëhet rreth këtij kufiri. Janë pesë kategori dominuese sistemesh:

  1. Sistemet e izoluara – materia dhe energjia mund të mos e kalojnë kufirin.
  2. Sistemet adiabatike – nxehtësia s’e kalon kufirin.
  3. Sistemet diatermike – nxehtësia e kalon kufirin.
  4. Sistemet e mbyllura – materia s’e kalon kufirin.
  5. Sistemet e hapura – nxehtësia, puna, materia mund ta kalojnë kufirn.

Sistem quajmë një grup elementesh të veçanta që kryejnë një funksion të përbashkët.

Për sistemet e izoluara, sa më tepër që koha kalon, diferencat në sistem kanë tendencë të eleminohen: shtypja dhe temperatura priren të barazohen, në atë mënyrë që densiteti ndryshon. Një sistem tek i cili të gjitha proceset e barazuese praktikisht kanë përfunduar, konsiderohet të jetë në ekuilibër termodinamikë.

Në ekuilibër termodinamik, parametrat e sistemit sipas përcaktimit, të pandryshueshme në kohë. Sistemet në ekuilibër janë shumë më të thjeshtë dhe më të lehtë për t’i kuptuar se sa sistemet që nuk janë në ekuilibër. Shpesh, kur të analizohet një proces termodinamik, mund të supozohet se secila gjendje e ndërmjetme në proces është në ekuilibër. Kjo në mënyrë të konsiderueshme na e lehtëson situatën. Proceset termodinamike të cilat zhvillohen aq ngadalë sa të lejojnë që secili hap i ndërmjetëm të jetë në gjendje ekuilibruese është e thënë të jenë procese reverzibile.

Parametrat termodinamik[redakto | redakto tekstin burimor]

Koncepti qëndror në termodinamikë është energjia, aftësia/kapaciteti për të kryer punë. Siç u përcaktua nga ligji i parë, energjia e përgjithshme në sistem dhe në rrethinë konservohen/ruhen. Mund të transferohen në trup ose përmes nxeht.sisë, ngjeshjës ose shtimit të materies, ose mund të ekstraktohet/nxirret nga trupi ose me ftohje, zgjerim, ose nxjerrje të materies. Si krahasim në mekanikë, transferi i energjisë është rezultat i forcës që shkakton zhvendosjen, prodhimi i të dyjave, është sasia e enrgjisë së transferuar. Në mënyrë të ngjajshme, sistemet termodinamike mund të mendohen se transferojnë energjinë si një rezultat i një force të përgjithësuar që shkakton një zhvendosje të përgjithësuar, prodhimi i të dyjave është sasia e energjisë së transferuar. Këto çifte forcë – zhvendosje termodinamike njihen si ndryshore të konjuguara/bashkuara. Ndryshoret e konjuguara më të shpeshta në termodinamikë janë: shtypje – vëllim (parametra mekanikë), temperaturë – entropi, dhe potenciali kimik – numri i grimcave (parametra material).

Instrumentet termodinamike[redakto | redakto tekstin burimor]

Janë dy lloje të instrumenteve termodinamike, njehsori (meter) dhe rezervuari (reservoir). Një njehsor termodinamikë është çdo paisje e cila mat çfarëdo parametri të një sistemi termodinamik. Në disa raste, në fakt parametri termodinamik përcaktohet nën kushtet e një instrumenti matës të idealizuar. ligji i zeros (zeroth law) thotë se nëse dy trupa janë në ekuilbër termik me një trup të tretë, atherë ata dy trupa janë në ekulibër termik me njëri tjetrin. Ky parim, si e përmendi James Maxwell në vitin 1872, pohon se është e mundshme t’i matet temperatura. Një termometër ideal është një mostër/shembull e në gazi ideal në shtypje konstante. Prej ligjit për gazin ideal pV = nRT, vëllimi i një mostre të tillë mund të përdoret si indikator i temperaturës; në këtë mënyrë e përcakton temperaturën. Edhepse shtypja është e përcaktuar/definuar mekanikisht, paisja për matjen e shtypjes, e quajtur barometër mund të konstruktohet prej një mostre të gazit ideal të mbajtur në temperaturë konstante. Kalorimetri është paisje e cila e mat dhe e përcakton/karakterizon energjinë e brendshme të sistemit.

Një rezervuar termodinamik është një sistem i cili është aq i madh sa nuk i ndryshon dukshëm parametrat e gjendjes kur është në kontakt me sistemin pilot/provues. Përdoret për të vënë një vlerë të caktuar/veçantë parametrit të gjendjes mbi sistemin. Për ilustrim, rezervuari i shtypjes është një sistem me një shtypje të caktuar, i cili ngarkon me atë shtypje cilindo sistem provues që është i lidhur mekanikisht me të. Atmosfera e tokës shpesh përdoret si rezervuar i shtypjes.

Gjendjet termodinamike[redakto | redakto tekstin burimor]

Kur një sistem është në ekuilibër në kushte/kondita të dhëna, është thënë se e ka të përcaktuar/karakterizuar gjendjen. Gjendja e sistemit mund të përshkruhet si një numër ekstensiv dhe intensiv të variableve/ndryshoreve. Parametrat e sistemit mund të përshkruhen me anë të një ekuacioni të gjendjes i cili specifikon mardhëniet e këtyre ndryshoreve. Gjendja mund të mendohet si një përshkrim sasior i çastit të sistemit me një numër të fiksuar/caktuar variablash/ndryshoresh të mbajtura konstante.

Proceset termodinamike[redakto | redakto tekstin burimor]

Procesi termodinamik mund të definohet si evulucion/zhvillim energjetik i sistemit termodinamik i cili rrjedh/kalon prej gjendjes iniciale/fillestare tek gjendja finale/përfundimtare. Në mënyrë tipike, secili proces termodinamik ndryshon prej proceseve të tjera, në karakter energjetik, sipas cilit parametër, temperaturës, vëllimit, shtypjes etj, mbahen konstantë. Veç kësaj, është me rëndësi t’i grupojmë këto procese në çifte, në të cilën secila ndryshore e cila mbahet konstant është një antarë i një çifti të konjuguar. Gjashtë proceset termodinamike më të shpeshta janë paraqitur më poshtë:

  1. Procesi izobarik ndodh në shtypje konstante.
  2. Procesi izohorik (izometrik/izovolumetrik) ndodh në vëllim konstant.
  3. Procesi izotermik ndodh në temperaturë konstante.
  4. Procesi izotropik ndodh në entropi konstante.
  5. Procesi izoentalpik ndodh në entalpi konstante.
  6. Procesi adiabatik ndodh pa humbje dhe marrje/pranim të nxehtësisë.

Ligjet e termodinamikës[redakto | redakto tekstin burimor]

Në termodinamikë, janë katër ligje me vlefshmëri të përgjithshme, aq sa ato nuk varen nga detalet e bashkëveprimit ose sistemit që studiohet. Prandaj, ato mund të aplikohen/zbatohen në sistemet tek të cilat nuk dihet asgjë, veçse balanca e energjisë dhe transferimi/shkëmbimi i materies. Shembujt e tillë përfshijnë parashikimin e Einstein – it për emisionin spontan në shek.XX dhe hulumtimet e tanishme në termodinamikën e vrimave të zeza (black holes).

Katër ligjet janë:

-Ligji i zeros në termodinamikë, i cili thotë se ekuilibri termodinamik është një relacion ekuavalencial

Nëse dy sisteme termodinamike janë në ekuilibër termik me sistemin e tretë, atherë ato dy sisteme janë në ekuilibër termik me njëri 
tjetrin.

-Ligji i parë i termodinamikës, rreth konservimit/ruajtjes së energjisë

 Rritja e energjisë së një sistemi të mbyllur është e barabartë me sasinë e energjisë së shtuar sistemit me anë të nxehtësisë,
minus sasinë e humbur të të punës së bërë të

sistemit në rrethinë.

-Ligji i dytë i termodinamikës, rreth entropisë

Entropia totale e një sistemi të izoluar termodinamik tenton të rritet sa herë që i afrohet 

vlerës maksimale.

-Ligji i tretë i termodinamikës, rreth temperaturës absolute

Kur sistemi asimptotikisht i afrohet temperaturës zero absolute të gjitha proceset pothuaj mbarojnë dhe entropia e sistemit 
asimptotikisht i afrohet vlerës minimale.

Potencialet termodinamike[redakto | redakto tekstin burimor]

Siç mund të nxirret prej ekuacionit të energjisë së balancuar/ekuilibruar në një sistem termodinamik ekzistojnë madhësi enrgjetike të quajtura potenciale termodinamike, që matëse sasiore/kuantative e energjisë së ruajtur në një sistem. Katër potencialet më të njohura të potencialeve janë:

Emri Simboli Formula Variablat natyrore
Energjia e brendshme U T S - p V + \sum_i\,\mu_i N_i S, V, \{N_i\}
Energjia e lirë e Helmholtzit F, A U-TS T, V, \{N_i\}
Entalpia H, I U+pV S, p, \{N_i\}
Energjia e lirë e Gibbsit G U+pV-TS T, p, \{N_i\}
Energjia potenciale e Grandit \Omega, \Phi_{G} U - T S -\sum_i\,\mu_i N_i T, V, \{\mu_i\}

Potencialet përdoren për të matur ndërrimet e energjisë në sistem ashtu që ato zhvillohen prej gjendjes fillestare te gjendja përfundimtare/finale. Përdorimi i potencialeve varet prej përmbajtjes së sistemit, si temperatura ose shtypja konstante. Energjia e brendshme është energjia e brendshme e sistemit, entalpia është energjia e brendshme plus energjia e që lidhet me punën presion-vëllim, dhe energjitë e lira të Helmholtz – it dhe Gibbs – it janë energji në dispozicion në sistem që përdoren për të kryer punë kur temperatura dhe vëllimi ose shtypja dhe temperatura janë të pandryshuara.

Degët e termodinamikës[redakto | redakto tekstin burimor]

Degët e termodinamikës janë:

  1. Termodinamika atmosferike
  2. Termodinamika e çekuilibrimeve
  3. Termodinamika biologjike
  4. Termodinamika e fenomeneve
  5. Termodinamika e vrimave të zeza
  6. Psikodinamika
  7. Termodinamika kimike
  8. Termodinamika kuantike
  9. Termodinamika klasike
  10. Termodinamika statistike
  11. Termodinamika e ekulibrimeve


Temperatura[redakto | redakto tekstin burimor]

Temperatura matet me shkalle te celzius, kelvin apo me shkalle te Farenheit-i.Jane vlera numerike qe bejne lidhje e ketyre njesive. Me rendesi është për tu theksuar njesija kelvin (K) me qe është e lidhur me te ashtuquajtur temperature absolute te trupit dhe numrin -273. 
 Kjo vlere e temperatures shenon zeron absolute e cila nuk (shum veshtire munde) te arrihet. Ja pse: Si qe thame levizja e grimcave është ajo qe shkakton nxektesise e trupit, e cila qe te zbret aq shum sa qe temperatura e tij te jete ne vleren e zeros absolute,

Parimet e Termodinamikes[redakto | redakto tekstin burimor]

Jane parime te termodinamikes te cilat zbatohen ne te gjitha lemite e zbatimeve te energjise por edhe ne ligjet e levizjeve sociologjike, bilogjike, psikologjike dhe informative.

  • Parimi i pare thot qe sasija e nxehtesise qe futet ne nje sistem shkon ne rritjen e energjise se brendeshme te sistemit dhe ne kryrjen e nje pune perkunder ambjenit perreth.
  • Parimi i dyte apo ligji i entropise thot qe ne sistemet e izoluara entrpia e tij eshe gjithmone ne rritje. Nderrimi i entropise se nje sistemi definohet si shume e tersishme apo integral i nderrimeve te nxehtesise pjestuar me temperaturen e sistemit ne shqyrtim.

Kur theksojme entropine (shenohet me S, aludojme ne ndrrimin e saje por duke filluar nga vlera e saje zero.( E njeta gje vlen edhe me definimin e potencialit apo distances).

Me nderrimin e entopise se sistemit te caktuar analizohet kahja e levizjes se proceseve fizike, kimike , biologjike etj. Kur nderrimi i entropise(delta S) është me i madhe se zero procesi është irreverzibil ( i pa kethyeshem), kur nderrimi është zero procesi është reverzibil dhe kur ndrrimi ne fjale ka vleren me i vogel se zero procesi është i pamundur.

Ketu shihet roli i gjitheanshem i ligjit te nderrimit te enropise apo parimit te dyte te termodinamikes. Me ane te tij parashihen levizjet e proceseve ne shkence shoqeri dhe kahet rrjedhjes se informacionece.Entropia ne aspektin informative definohet si shkalle e crregullesise. Crregullsia apo kaosi dhe rregullesia janë procese fundamentale ne te gjitha lemite e hulumtive.

Te themi psh. qe Universi si sistem i izoluar ka nje entropi ne rritje për cka dihet qe ai zgjerohet ne menyre te pakethyeshme. Parimi i trete ne fakt quhet parimi zero(0) i termodinamikes.Keto nuk po e trajtojme por vetem te themi qe ai ndihmone ne definimin e teperatures dhe për ta kuptuar shum lehte, te mendojme situaten si vijon. Kur dy madhesi janë te njejta me nje madhesi te trete atehere ato janë te njejta edhe me njera tjetren.

Keto qe u trajtuan me sipër i perkasin termodinamikes fenomenologjike. Perndryshe ekziston edhe termodinamika statistikore qe trajtohet me ane te teorise se probabilitetit e cla është jashte fushes se veshtrimit te paraqitur ne kete shkrim.