ELEC-A3110_1144191844: Lämpöopin pääsäännöt

Tässä osassa keskitytään tarkemmin systeemien, erityisesti ideaalikaasun, termodynaamisten ominaisuuksien johtamiseen systeemin mikroskooppisten osasten, kuten hiukkasten, käyttäytymisestä. Samalla muotoillaan loput lämpöopin pääsäännöistä, jotka ohjaavat minkä tahansa termodynaamisen systeemin käyttäytymistä.

Ensimmäisellä videolla keskitytään lämpötilan ja paineen käsitteiden linkittämiseen yksittäisten hiukkasten liikkeisiin ideaalikaasun tapauksessa. Kun ymmärretään, miten nämä tilanmuuttujat liittyvät hiukkasten liikkeen tilastollisiin ominaisuuksiin, erityisesti niiden nopeuksia kuvaavaan Maxwell-Boltzmannin jakaumaan, niin ideaalikaasun tilanyhtälö tipahtaa ulos yhtälöistä kuin varhainen joululahja. Lisäksi puhutaan siitä, miten energian ekvipartitioperiaate ohjaa lämpöenergian jakautumista systeemin eri osiin, ja tämän pohjalta voidaan suoraan linkittää kaasun ominaislämpökapasiteetti kaasun molekyylien liikkeeseen.

21.1 Termisten ominaisuuksien mikroskooppinen tarkastelu

linkki videoon Panoptossa

Toisella videolla tarkastellaan termodynaamisia prosesseja eli sitä, millä tavoin termodynaaminen systeemi voi kulkeutua yhdestä tilamuuttujien määrittämästä tilasta toiseen. Kulkiessaan yhdestä tilasta toiseen systeemiin voi siirtyä lämpöenergiaa, ja toisaalta se voi menettää lämpöenergiaa tekemällä työtä ympäristöönsä. Johdetaan kaava kaasun tekemälle työlle sen laajentuessa. Koska mikä tahansa termodynaaminen systeemi koostuu pohjimmiltaan hiukkasista, joille pätee mekaanisen energian säilymislaki, niin myös termodynaamisten prosessien yhteydessä kokonaisenergian täytyy säilyä --- nk. lämpöopin ensimmäinen pääsääntö. Lämpövoimakoneet ovat teoreettisia laitteita, jotka käyttävät jonkin termodynaamisen systeemin syklistä prosessia työn tekemiseen. Määritellään hyötysuhde lämpövoimakoneelle, ja esitetään siihen liittyen lämpöopin toinen pääsääntö: Ei ole olemassa täydellistä lämpövoimakonetta, jonka hyötysuhde olisi tasan 1, sillä se vaatisi lämmön spontaania siirtymistä kylmästä kuumaan.

21.2 Termodynaamiset prosessit

linkki videoon Panoptossa

Viimeisellä videolla perehdytään tarkemmin entropian käsitteeseen, jonka avulla voidaan mitata systeemin epäjärjestystä. Nähdään, että suuremman entropian termodynaamiset tilat ovat huomattavasti todennäköisempiä kuin pienemmän entropian tilat. Päädytään lämpöopin toisen pääsäännön perustavanlaatuisempaan määritelmään: Suljetun systeemin epäjärjestys/entropia ei voi ikinä pienentyä. Itseasiassa havaitaan, että toinen pääsääntö on vain tilastollinen laki. Entropian pienentyminen ei ole mahdotonta vaan vain äärimmäisen epätodennäköistä. Mutta nähdään myös, että makroskooppisille systeemeille "mahdoton" ja "äärimmäisen epätodennäköinen" ovat käytännössä sama asia. Kellään ei liene aikaa odottaa maailmankaikkeuden loppuun saakka ja siitä eteenpäin, että jääpala sattuisi spontaanisti muodostumaan sihijuomalasiin... Voi olla että juoma olisi siinä vaiheessa menettänyt jo sihinsä, ja aurinkokin sammunut ajat sitten. Kannattaa siis ensi kesänäkin laittaa jääpalat mielummin pakastimeen tekeytymään.

21.3 Entropia