1. Термодинамічні закони, пов’язані із сонячним радіаційним випромінюванням

Термодинаміка - розділ теоретичної фізики, що стосується законів явищ поширення та збереження тепла. Термодинаміка вивчає процеси, які відбуваються в тілах, що перебувають у тепловій рівновазі з іншими тілами. Важливою характеристикою теплової рівноваги є температура. Рівняння стану пов'язує між собою такі характеристики тіл, як тиск, об'єм та температуру. Зміни термодинамічного стану фізичних систем вивчаються при рогзляді термодинамічних процесів. Термодинаміка була створена в 18-19 ст. у зв’язку з потребою побудови теоретичного підґрунтя для опису роботи теплових двигунів.

Ключовими поняттями в термодинаміці є термодинамічна система, термодинамічний процес, термодинамічні параметри.

Термодинамічна система – це сукупність мікроскопічних тіл, які взаємодіють і обмінюються енергією між собою і навколишнім середовищем.

Термодинамічним процесом називається перехід системи з початкового стану в кінцевий через послідовність проміжних станів. Процеси бувають оборотні і необоротні. Оборотним називається процес, при якому можна здійснити оборотний перехід системи з кінцевого стану в початковий через ті ж самі проміжні стани, щоб у навколишніх тілах не сталося жодних змін.

Термодинамічна система називається закритою або відкритою, в залежності від того, чи вона може обмінюватися речовиною з навколишніми тілами. Якщо система не може обмінюватися з навколишніми тілами ні речовиною, ні енергією, то вона називається ізольованою.

Рівноважна термодинаміка вивчає термодинамічні системи в стані термодинамічної рівноваги. В такому стані систему можна охарактеризувати параметром, який називається температурою. В рівноважному стані температура однакова для усіх частин термодинамічної системи, а у випадку неізольованої термодинамічної системи вона збігається з температурою навколишніх тіл, які в термодинаміці називають термостатом. Існування рівноважного стану часто називають нульовим законом термодинаміки.

Термодинамічні параметри – параметри стану – сукупність фізичних величин, що характеризують властивості і стан термодинамічної системи. Такими параметрами є температура Т, об’єм V, тиск р. Стан системи, у якому вона може перебувати досить довго (параметри стану у часі є незмінними), називається термодинамічною рівновагою.

Процеси перетворення сонячної енергії в теплову безпосередньо пов’язані з першим та другим термодинамічними законами.

Перший закон термодинаміки було встановлено завдяки роботам Джоуля, Маєра та Гельмгольца. Джоуль провів дослідження, які допомогли встановити пропорційність між кількістю теплоти та механічною роботою. Завдяки цим дослідженням виникло поняття енергії. Перший закон термодинаміки є формулюванням закону збереження енергії:

зміна внутрішньої енергії системи у випадку переходу її з одного стану в інший дорівнює сумі роботи зовнішніх сил і кількості теплоти, переданої системі:ΔU = A' + Q.

- робота зовнішніх сил над системою; Q – кількість тепла, Дж..

Кількість теплоти, що надається системі, витрачається на зміну внутрішньої енергії системи і на здійснення системою роботи проти зовнішніх сил.

Також існує інше формулювання даного закону: є імовірність створити двигун вічного руху, який буде створювати енергію з нічого. Таким чином і в наш час винахідники всього світу прагнуть створити двигун такого типу.

Перш ніж звернутися до визначення другого закону термодинаміки, потрібно дати наступні визначення:

Ентропія S — в термодинаміці міра енергії у термодинамічній системі, яка не може бути використана для виконання роботи. Вона також є мірою безладдя, присутнього в системі.

Ентальпія (або теплова функція) — повна енергія системи, яка складається із внутрішньої енергії і добутку тиску на об'єм.

Абсолютна температура — параметр стану, який характеризує макроскопічну систему в стані термодинамічної рівноваги.

Другий закон термодинаміки є твердженням про те, що термодинамічна система прагне до збільшення ентропії. Адіабатична нерівноважна система, тобто система, яка не може обмінюватися теплом із навколишнім середовищем, еволюціонує з часом, переходячи із одного стану в інший, доки не досягне рівноважного стану. Другий закон термодинаміки стверджує, що при такій еволюції значення ентропії може лише зростати: . В рівноважному стані ентропія має максимальне значення. Якщо термодинамічна система може обмінюватися теплом із навколишнім середовищем, то , причому рівність досягається тільки для рівноважного процесу.

Ідеальний газ — це газ, в якому молекули можна вважати матеріальними точками, а силами притягання й відштовхування між молекулами можна знехтувати. У природі такого газу не існує.

У найпростішій ідеальній тепловій машині здійснюється так званий цикл Карно, який складається з двох ізотерм і двох адіабат.

Цикл Карно — цикл роботи теплового двигуна. Цикл складається з чотирьох стадій (див. рис.1):

1. Робоча речовина нагрівається за сталої температури (ізотермічний процес).

2. Робоча речовина розширюється за сталої ентропії (адіабатичний процес).

3. Робоча речовина охолоджується за сталої температури (ізотермічний процес).

4. Робоча речовина стискається за сталої ентропії (адіабатичний процес).

Рис.1 Цикл Карно

на діаграмі Т – температура, ◦С; S — ентропія, Дж/С

Ізотермічний процес — це фізичний процес, під час якого температура не змінюється.

Закон Бойля-Маріотта:добуток тиску данної маси газу на об'ем, що його займає газ при сталій температурі, є величина стала. Ізотермічний процес відбувається достатньо повільно для того, щоб температура підтримувалася сталою завдяки теплообміну із середовищем. При ізотермічному стисненні тіло віддає тепло в середовище, при ізотермічному розширенні — вбирає тепло із середовища.

Якщо до ізотермічного процесу застосувати рівняння Клапейрона, то з урахуванням сталості температури Т₁=Т₂ воно набуде вигляду:

або

(1)

Адіабатний проце́с— в термодинаміці зміна стану тіла без обміну теплом з навколишнім середовищем. Його можна здійснити, проводячи стискання чи розширення тіла (наприклад, газу) дуже швидко.

Для адіабатичного процесу теплообмін з навколишнім середовищем відсутній, тобто кількість теплоти Q = 0. Тоді, відповідно до першого закону термодинаміки:

(2)

де E — внутрішня енергія системи, а W — робота, що виконується самою системою. Будь-яка робота (W) здійснюється за рахунок витрат внутрішньої енергії E, адже надходження теплоти ззовні немає. Робота W, що виконується системою визначається як:

(3)

Важливим поняттям в термодинаміці є вільна енергія.

Вільна енергія Гельмгольца — термодинамічний потенціал, який визначає рівноважні термодинамічні характеристики системи в залежності від об'єму й температури.

Рівновжний стан системи багатьох часток при визначеному об'ємі й сталій температурі визначається мінімумом вільної енергії.

Вільна енергія F визначається, як:

(4)

де T — температура, S — ентропія, а E — внутрішня енергія системи.

Зміна вільної енергії дорівнює роботі, виконаній над тілом при ізотермічному процесі