Pune me Projekt

Tema: Termodinamika Lenda:Klasa: XIIShkolla:Lazer KabashiPunoi:

SHKENCE

Jurgen Ndoci

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

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

Përmbledhje

• 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.

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.

Historiku i zhvillimit të termodinamikës

Termodinamika klasike

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 termodinamik

ës, 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

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

•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

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:

Sistemet e izoluara

Sistemet Adiabatike

Sistemet diatermike

Sistemet e mbyllura

Sistemet e hapura.

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.

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).

Parametrat termodinamik.

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. Për ilustrim, 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.Është me rëndësi të thuhet se këto dy lloje instrumentesh janë të ndryshme. Një njehsor nuk i paraqet të sakta punët/detyrat e tij nëse sillet si rezervuar i parametrit të gjendjes i cili ndërron, të cilin është duke tentuar/përpjekur ta masë. Nëse, për ilustrim, një termometër, do të duhej të vepronte sikur rezervuar i temperaturës, ai do t’i ndryshonte temperaturat e sistemit që do t’i kishte matur dhe leximi i tyre do të ishte i gabuar/inkorrekt. Njehsorët ideal nuk kanë efekt/veprim në parametrat/ndryshoret e gjendjes së sistemit të cilat ato po i masin.

Instrumentet termodinamike

Gjendjet termodinamike

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.

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:Procesi izobarik ndodh në shtypje konstante.

Procesi izohorik (izometrik/izovolumetrik) ndodh në vëllim konstant.

Procesi izotermik ndodh në temperaturë konstante.

Procesi izotropik ndodh në entropi konstante.

Procesi izoentalpik ndodh në entalpi konstante.

Procesi adiabatik ndodh pa humbje dhe marrje/pranim të nxehtësisë.

Proceset termodinamike

Ligjet e termodinamikës

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).Kater ligjet jane:

-Ligji i zeros në termodinamikë, i cili thotë se ekuilibri termodinamik është një relacion ekuavalencialNese dy sisteme termodinamike jane ne ekuiliber termik me sistemin e trete, athere ato dy siteme jane ekuiliber termik me njer-tjetrin.

-Ligji i parë i termodinamikës, rreth konservimit/ruajtjes së energjisë.Rritja e energjise se nje sistemi te mbyllur eshte e barabarte me sasine e energjise se shtuar sistemit me ane te nxehtesise, minus sasine e humbur te punes se bere te sistemit ne rrethine.

-Ligji i dytë i termodinamikës, rreth entropisë.Entropia totale e nje sistemi te izoluar termodinamik tenton te rritet sa here qe I afrohet vleres maksimale.

-Ligji i tretë i termodinamikës, rreth temperaturës absolute.Kur sitemi asimptotikisht I afrohet temperatures zero ablsolute te gjitha proceset pothujse mbarojne nga entropia e sistemit asimptotikisht i afrohet vleres maksimale.

Proceset e kthyeshme dhe te pakthyeshme. Parimi i dyte i termodinamikes.-Proces termodinamik quajme kalimin e sistemit termodinamik nga nje gjendje ne tjetren. Nese vlerat e te gjithe parametrave te sistemit ne gjendjen fillestare jane te barabarta me ato te gjendjes perfundimtare, procesi quhet rrethor ose i mbyllur.-Qka ndodh kur bien ne kontakt dy trupa ne temperatura te ndryshme? Kur sistemi arrin ekuilibrin termodinamik? A mund te kthehet sistemi vetvetiu ne gjendjen paraprake? Si realizohen proceset termodinamike etj.?-Proceset termodinamike mund te jene te kthyshme (reversibile) dhe te pa kthyeshme (ireversibile). Proces i thyeshem quhet ai qe permbush keto kushte: A. mund te kryhet lehte ne dy kahet e kundertaB. ne secilin prej rasteve sistemi kalon neper gjendje te mesme te njejte.C. pas kryerjes se drejte dhe reciproke te procesit sistemi dhe trupat rrethues kthehen ne gjendjen fillestare.-Qdo proces qe nuk e ploteson vetem nje nga kushtet e permendura, konsiderohet proces i pakthyeshem. Te gjitha proceset termike kuazistatike (kuazi - pothuajse, gati) jane te kthyeshme.Po permendim disa shembuj te proceseve te kthyeshme : levizja e planeteve, lekundjet e paamortizuara, goditjet elastike, cilki i makinave termike. Kurse shembuj te proceseve te pakthyeshme jane: lekundjet a amortizuara, goditjet joelastike, proceset me ferkim, difuzioni etj.

Parimi i Dyte i Termodinamikes

-Ne natyre nuk ka sistem absolutisht te mbyllur, sepse ne qdo sistem real veprojne forcat e ferkimit. Ne natyre, po ashtu, nuk ka sistem absolutisht kurazistik, sepse te gjitha proceset termike kryhen me shpejtesi te caktuar. Nga kjo rrjedh se te gjitha proceset reale ne natyre jane te pakthyeshme.-Sipas parimit te pare te termodinamikes nxehtesia qe i jepet sistemit harxhohet ne pune, pjesrisht ne ndryshimin e energjise se brendshme. Ai parim, po ashtu, lejon qe antaret e veqante ne shprehje (2), ne pune dhe ne ndryshimin e energjise se brendshme, jane te barabarta me zero.

-Sipas parimit te pare te termodinamikes krejt nxehtesia qe i jepet sistemit mund te transferohet ne pune mekanike ose ne ndryshimin e energjise se brendshme e asgje tjeter te mos ndodhe me sistemin.

-Nga pervoja dime se, megjithate, nje gje e tille nuk mund te ndodhe ne natyre. Mund te numrohen shume procese qe do te ishin ne pajtim me parimin e pare te termodinamikes, e megjithate nuk ndodhin. Po permendim vetem dy.

-Nese dy trupa ne temperatura te ndryshme bien ne kontakt, nxehtesia gjithnje kalon nga trupi me i nxehur ne trupin me te ftohte. (fig 6.5a)

-Kurre nuk edhte verejtur kalimi i nxehtesise nga trupi i ftohte ne trupin e nxehte pa kryerjen e punes. Mirepo, eshte i mundur kalimi i nxehtesise nga trupi i ftohte ne trupin e nxehte nese kryhet pune ne sistem, ne kete parim bazohet puna e mjeteve ftohese.

Qka do te vereni nese terhiqet trupi neper nje siperfaqe te vrazhde? Si behet transformimi i punes mekanike ne nxehtesi? Pse kur eshte ftohte i ferkojme duart? Pse gjate dimrit veshim rroba me te trasha?

Natyrisht se nxehtesia e krijuar me ferkim ngroh trupin dhe mjesisin jetesor. E pamundur eshte te paramendohet procesi i anasjellte, ne te cilin trupi dhe mjedisi jetesor vete te ulin temperaturen e ate ndryshim te shkaktuar te nxehtesise ta perdorin per levizjen e

trupit, do te thote per mundesi te kryerjes se punes.Nga pervoja dime se mund te realizohen te gjitha proceset e paraqitura ne fig. 6.5. Ne te gjitha rastet shqyrtojme kalimin e

nxehtesise midis dy trupave, dy burime nxehtesie me temperatura te ndryshme, T1 > T2 dhe puna qe kryhet me ate rast. Se proceset a) dhe b) mund te kryhen jane ilustruar me shembuj qe u permenden me larte. Proceset ne te cilat nxehtesia bartet nga burimi i

nxehte ne burimin e ftohte, e me ate rast te kryhet pune ne rrethine, nuk jan te rralla. Ne baze te atyre proceseve punojne aparatet e nxehtesise. Ne makinen e avullit, avulli eshte ne temperaturen T1 dhe duke kaluar ne temperaturen T2 kryen nje pune ë . Procesi i

kundert realizohet ne frigorifer; nxehtesia me punen e motorit bartet nga brendia ne rrethine (nga frigoriferi ne rrethine .

Mbani mend-Parimi i dyte i termodinamikes me saktesisht e permbush ligjin

e ruajtjes se energjise.-Ne proceset ne te cilat

nxehtesia bartet nga burimi i nxehte ne burimin e ftohte

mund te kryhet pune ne rrethine.

-Proceset qe nuk mund

te ndodhin jane treguar. Prandaj, perveq Ligjit te pare

te termodinamikes, i cili flet per nxehtesine si energji edhe per

ruajtjen e energjise, eshte i nevojshme edhe nje ligj i cili flet per drejtimin

e zhvillimit te procesit. Njohja se proceset e prezentuara jane te parealizushme paraqet

ligjin shtese. Mund te tregohet nga pervoja se si eshte i pamundur procesi a) del se

eshte i pamundur edhe procesi b) dhe anasjelltas.-Prandaj, Parimi i Dyte i Termodinamikes mund te formulohet keshtu: -Nxehtesia rrjedhe spontanisht nga objekti (trupi) i nxehte me ate te ftohte, por jo edhe anasjelltas. Eshte e pamundur per sisteme ciklike transportimi i nxehtesise nga trupi me temperature te ulet, ne trupin me temperature te larte, pa kryer pune nga jashte ne sistem.-Parimi i Dyte i Termodinamikes na bene me dije se eshte e pamundur qe te shfrytzohet energjia termike perderisa ajo te mund te rrjedhe nga vendi me temperature me te ulet.-P.sh. uji i oqeaneve ka vlere te madhe te energjise temike. Mirepo, ne nuk mund ta perdorim ate energji perderisa nuk gjendet vendi i ftohte ne te cilin ajo do te rrjedhe. Si rezultat , per te gjitha qellimet, energjia temike akumulohet ne oqeane eshte e paperdorshme per njeriun.

Punoi me Kenaqesi:Jurgen Ndoci

Faleminderit qe shikuatdhe Vleresuat Projektin Tim.