פיזיקה תרמית/החוק הראשון

פרק זה לוקה בחסר. אתם מוזמנים לתרום לוויקיספר ולהשלים אותו. ראו פירוט בדף השיחה.

מערכת תרמודינמית

לפני שנתחיל את הדיון בחוק הראשון של התרמודינמיקה, עלינו להבין עם איזה סוג של בעיות אנו מעוניינים להתמודד. לצורך כך נגדיר ראשית את הישות הפיזיקלית עליה אנו מדברים. היא תיקרא "המערכת", "מערכת תרמודינמית" וכו'. מערכת כזו עשויה להכיל מכלול גדול של רכיבים, למשל בוכנות רבות, או גזים ונוזלים שונים, אבל מה שמייחד את הדיון בפיזיקה תרמית זו העובדה שכל הדיון שלנו יתיחס למערכת ככלל באופן מאקרוסקופי (בלי להתייחס לרכיבים או במילים אחרות לתכונות המיקרוסקופיות שלה). למשל, אנו נתייחס לטמפרטורה של המערכת (אשר תוגדר בהמשך), אבל לא נתעניין בטמפרטורה של כל חלק קטן במערכת. הקירוב המרכזי שנעשה במקרה זה הוא שנניח שעבר "זמן רב" על המערכת והיא הגיעה למצב של "שיווי משקל" (אשר גם אותו נגדיר בהמשך) ולכן הטמפרטורה הגיעה לאחידות בכל המערכת. כל מה שאיננו המערכת, יקרא בדיונינו "סביבה".

מערכת סגורה

מערכות תרמודינמיות יכולות להיות מסודרות באופנים שונים ומשונים. למשל, מערכת יכולה להיות סגורה במובן שלחלקי המערכת אין אפשרות לעזוב אותה. אין זה אומר שהמערכת לא משנה את הנפח שלה, למשל. במעבדה מערכת סגורה יכולה להיות למשל בקבוק סגור, בלון, וכו'. הדבר העיקרי שצריך לזכור זה שאין כניסה או יציאה של חלקים מהמערכת או אליה.

מערכת מבודדת

מערכת מבודדת מהסביבה היא מערכת אשר חום לא יכול להכנס אליה או לצאת ממנה. במילים אחרות, חום הסביבה לא משפיע עליה. במעבדה זה יכול להראות כמו קופסאת קלקר למשל, או תרמוס וכו'.

מערכת מצומדת

ישנם מקרים רבים בהם נרצה להבין את ההתנהגות של מערכת כאשר היא נמצאת במצב שבו היא "מצומדת" למערכת אחרת, לרוב (כמעט תמיד) מערכת גדולה מאוד ביחס למערכת הנבדקת. למשל, נרצה לפעמים להצמיד מערכת ל"אמבט חום" שהוא אמבט גדול מאוד, אשר בקירוב ראשון (לפחות) לא מושפע מהמערכת הנבדקת. לעיתים המערכת הצמודה תהיה "מאגר לחץ", כמו בהרבה מאוד תהליכים כימיים שנרצה לבצע במעבדה. דוגמא לצימוד לאמבט חום, למשל, מיכל מים גדול שבתוכו נמצאת בוכנה ובתוכה גז. דוגמא למאגר לחץ יכול להיות למשל הלחץ האטמוספרי שבקירוב נשאר קבוע.

מערכת פתוחה

זו המערכת האחרונה שנדון בה. היא בדרך כלל לא שימושית בדיונים שלנו וכשמה כן היא, היא מערכת אשר חלקיקים יכולים להכנס אליה, או לצאת ממנה, וכך גם חום.

לחץ ונפח

מבין הגדלים החשובים בדיונינו, נרצה לדבר על הלחץ והנפח. הנפח, כפי שקל להבין אותו, הינו הנפח הכלוא בתוך תחומי המערכת. הלחץ, באופן דומה, הוא הכוח שמופעל על יחידת שטח כלשהי במערכת. אנו נסמן את הנפח באופן גורף בתרמודינאמיקה באות $\;V$ ואילו את הלחץ נסמן ב-$\;p$.

חום ועבודה

את המושג עבודה אנו כולנו מכירים ממכניקה כ-

$\;dW={\vec {F}}\cdot d{\vec {s}}$

נתאר לעצמנו מערכת שמורכבת מבוכנה בעלת משקל זניח וללא חיכוך, אשר שטח הבוכנה עצמה הוא $\;A$. בתוך הבוכנה נשים חומר שאנו רוצים לבדוק, למשל חנקן. אם, נניח, נפעיל כוח כלשהו על הבוכנה (ניתן לדמיין מזרק מלא באויר למשל), במידה והכוח הוא שונה ממכפלת הלחץ בשטח $\;A$ הרי שתהיה תנועה של הבוכנה לאחד הצדדים. העבודה שהמערכת תפעיל (אולי בסימן שלילי), תהיה

$\Delta W=-F\cdot \Delta {\vec {x}}$

הסימן מינוס בביטוי למעלה הוא מוסכמה בלבד בתרמודינאמיקה ובא לנוחיות בלבד. מכאן נקבל את הקשר הבא (הבוכנה זזה בכיוון הכוח בדיוק):

$\Delta W=-pA\cdot \Delta x$

אבל מצד שני ידוע ש-$\;A\cdot \Delta x=\Delta V$ ולכן מתקבל הקשר הבא:

$\Delta W=-p\Delta V$

אבל די ברור שהלחץ עשוי להשתנות כתוצאה מהתנועה של הבוכנה. לכן קשר זה נכון אך ורק עבור שינויים קטנים של הנפח, שעבורם הלחץ נשאר בקירוב ראשון קבוע. מכאן אנו מקבלים את אחד הקשרים החשובים לדיוננו:

$dW=-pdV$