תרמודינמיקה

תֶּרְמוֹדִינָמִיקָה עוסקת בחום, עבודה וטמפרטורה ובקשר ביניהם לבין אנרגיה ואנטרופיה. אנטרופיה היא מדד לאי־סדר או לאי־ודאות במערכת. חוקי התרמודינמיקה מתארים את ההתנהגות של גדלים אלה במונחים מדידים בממדים גדולים, ומכנים את הקשרים גם במונחים מיקרוסקופיים דרך מכניקה סטטיסטית.

תחום זה מיושם בכימיה, ביוכימיה, הנדסה, מטאורולוגיה, אקולוגיה, ננוטכנולוגיה ועיבוד מידע. בתחילת דרכו הוא נבע מהרצון לשפר מנועים חום, ובעיקר מנועי קיטור, כדי להגדיל יעילות העובדה.

המחקר המודרני החל עם עבודתו של סאדי קרנו ב־1824 על יעילות מנועים. באמצע המאה ה־19 קלווין וקלאוזיוס ניסחו את הרעיונות הבסיסיים, וקלאוזיוס הציע את רעיון האנטרופיה. בהמשך, מקסוול ובולצמן פיתחו את הבסיס למכניקה הסטטיסטית, שקישרה את התנהגות החלקיקים הקטנים לתכונות הגדולות של חומר.

רעיון האטומים הוצע כבר בעת העתיקה על ידי דמוקריטוס. רק במאה ה־19 ו־20 התפתח מודל קינטי שמסביר את ההתנהגות התרמודינמית באמצעות חלקיקים נעים.

המחקר על מנועים וחום הוביל לניסוח ניסיוני של חוקי התרמודינמיקה. חוקים אלה נולדו מתוך תצפיות וניסויים על לחץ, נפח וטמפרטורה.

התורה האטומיסטית הסבירה מדוע תופעות תרמודינמיות נובעות מהתנהגות סטטיסטית של מיליונים ומיליארדי חלקיקים. היא אפשרה להבין תופעות כמו חום ונפח כתכונות ממוצעות של מערכת.

איינשטיין בשנים 1904, 1905 תרם להעמקת המכניקה הסטטיסטית. בהמשך שילוב מכניקת הקוונטים היה הכרחי לספירת המצבים המיקרוסקופיים ולחישוב אנטרופיה נכון.

בשנות ה־70 פיתח איליה פריגוז'ין את תרמודינמיקת המצבים שאינם בשיווי משקל. אותו עשור גם ראה פיתוח תרמודינמיקה של חורים שחורים על ידי בקנשטיין והוקינג, שהראו שחורים שחורים יש להם טמפרטורה ואנטרופיה.

בתקופה המאוחרת נפתחו תחומים חדשים כמו תרמודינמיקה של מידע, שמקשר בין אנרגיה וכמות מידע, ותרמודינמיקה בקנה מידה ננו.

חוק האפס: אם שתי מערכות בשיווי משקל תרמי עם שלישית, אז הן גם ביניהן בשיווי משקל. חוק ראשון: אנרגיה נשמרת; שינוי באנרגיה הפנימית שווה לחום שנכנס למערכת פחות העבודה שהמכונה ביצעה. חוק שני: באנרגיה מבודדת, תהליכים ספונטניים מעלים את האנטרופיה; המערכת נוטה לאי־סדר גדול יותר. חוק שלישי: בהגעה לאפס המוחלט האנטרופיה מתקרבת לערך קבוע.

מונחי יסוד כוללים חום, טמפרטורה, עבודה, אנרגיה ואנטרופיה. השימושים והפיתוחים של התחום ממשיכים להשפיע על מדע וטכנולוגיה מודרניים.

תֶּרְמוֹדִינָמִיקָה היא חקר החום, העבודה והטמפרטורה. טמפרטורה מדברת על כמה משהו חם או קר. חום הוא אנרגיה בתנועה. אנרגיה היא היכולת לעשות עבודה. אנטרופיה (מילה שקשה) פירושה כמה משהו מבולגן או כמה מידע חסר.

התחום התחיל כי אנשים רצו לשפר מנועים, כמו מנועי הקיטור. המדען סאדי קרנו עבד על זה ב־1824. בבירור הרעיונות עזרו מדענים כמו קלאוזיוס ובולצמן להבין חום טוב יותר.

בעת העתיקה חשבו על אש ויסודות טבעיים. רק מאוחר יותר הבינו שחום קשור לחלקיקים קטנים נעים.

רעיון האטומים אומר שהחומר בנוי מחלקיקים קטנים. המחשבה הזאת קיימת כבר זמן רב.

איינשטיין קידם את ההבנה בתחילת המאה ה־20. מאוחר יותר למדנו גם על חורים שחורים שיש להם טמפרטורה.

חוק האפס אומר שאם שני דברים חמים באותו אופן, הם גם שווים זה לזה. החוק הראשון אומר שאנרגיה לא נעלמת. החוק השני אומר שמערכות נוטות להיות מבולגנות יותר. החוק השלישי מתאר מה קורה כשהטמפרטורה מתקרבת לאפס.

דברים חשובים ללמוד: חום, טמפרטורה, עבודה, אנרגיה ואנטרופיה. הם עוזרים להבין איך חומרים ואמצעים עובדים.