תרמודינמיקה

שיתוף

תרמודינמיקה (באנגלית: Thermodynamics; מהמילה היוונית תרמה, שפירושה "חום" ודינמיקס שפירושו "כוח") היא ענף בפיזיקה שחוקר את ההשפעות של שינויים בטמפרטורה, בלחץ, ובנפח על מערכות פיזיקליות ברמה המאקרוסקופית על ידי ניתוח של התנועה המשותפת של חלקיקי המערכת ותוך שימוש בסטטיסטיקה. בלשון כללית, חום פירושו "אנרגיה במעבר" ודינמיקס מתייחס לתנועה וכך באופן בסיסי, התרמודינמיקה חוקרת את התנועה של אנרגיה וכיצד אנרגיה יוזמת תנועה. באופן היסטורי התרמודינמיקה התפתחה מתוך הרצון להגביר את היעילות של מנועי הקיטור הראשונים.

מנוע הקיטור של תומאס ניוקומן, מהווה מערכת תרמודינמית מכאנית טיפוסית. חום מהמאגר החם(הדוד) זורם למאגר הקר (אטמוספירה), זרימה זו גורמת להפקת קיטור שמניע בוכנה המבצעת עבודה.

סוגי מערכות תרמודינמיות

מבחינים בין 3 סוגי מערכות

מערכת מבודדת (Isolatem System) שבה חומר או אנרגיה לא עוברים את גבולות המערכת - אין זרימה של אנרגיה אל המערכת או מתוכה וגם אין זרימה של חומר אל או מתוך המערכת.
מערכת סגורה (Closed System) שבה אנרגיה יכולה להיכנס ולצאת אבל אין העברת חומר אל או החוצה מהמערכת.
מערכת פתוחה (Open System) שבה עוברים גם חומר וגם אנרגיה את גבולות המערכת.

מלבד היקום כולו, אין כמעט דוגמאות למערכות מבודדות באמת, והדבר משמש בדרך כלל לשם קירוב או הפשטה. בדרך כלל כאשר פיזיקאים בוחנים מערכת תרמודינמית הם בוחנים אותה כמערכת מבודדת ומזניחים החוצה זרמים של אנרגיה או חומר שיכולים להשפיע עליה. לדוגמה כאשר יש מאגר חם ומאגר קר של אנרגיה מתסכלים על מעבר חום מהמאגר החם אל הקר, אבל מזניחים היבטים של זרימת חום מחוץ למערכת.

דוגמה למערכת תרמודינמית סגורה כמעט היא כדור הארץ - שמקבל אנרגיה מהשמש ופולט קרינת גוף שחור, אבל כמעט שלא נכנס אליו חומר (למאט אסטרואידים). יש דוגמאות רבות למערכות פתוחות - כמו יצורים חיים, מנוע קיטור ועוד.

חוקי התרמודינמיקה

החוק הראשון של התרמודינמיקה

החוק הראשון של התרמודינמיקה טוען כי כמות האנרגיה במערכת מבודדת היא גודל קבוע. אם מתעלמים מהיכולת להמיר אנרגיה לחומר לפי המשוואה של איינשטיין E=MC^2 (יכולת שרלוונטית בעיקר בתנאים פיזיקליים קיצוניים כמו בעת ביקוע או היתוך גרעיני), אזי החוק הופך לטענה לפיה במערכת מבודדת, כמות החומר היא גודל קבוע. החוק מכונה לכן חוק שימור אנרגיה או "חוק שימור החומר".

החוק השני של התרמודינמיקה

ערך מורחב – החוק השני של התרמודינמיקה

החוק השני של התרמודינמיקה טוען כי במערכת מבודדת, כמות האנרגיה החופשית לביצוע פעולה (אקסרגיה), תלך ותרד עם הזמן. ניסוח אחר הוא שכמות האנטרופיה במערכת כזו תלך ותגדל עם הזמן.

את החוק ניתן לנסח באופן תרמודינמי - כך שכאשר מפגישים גוף קר עם גוף חם, החום יזרום לגוף הקר, והוא יתחמם, בעוד שהגוף החם יתקרר. ניתן לנסח את החוק גם במונחים של מכניקה סטטיסטית לפיו הסיכוי לקבל מערכות "מסודרות" הולך ויורד עם הזמן. לחוק השני יש השלכות רבות ולא כולן מזדקרות לעין המתבונן בתחילה. מעבר להשפעתו על מנועים, יש לו גם השפעה על ההבנה שלנו את מבנה הזמן, וכן מערכות כימיות, ביולוגיות, מערכות מזג אוויר ומערכות כלכליות.

מערכת מפזרת

ערך מורחב – מערכת מפזרת

מערכת מפזרת (Dissipative System) היא מערכת פתוחה מבחינה תרמודינמית, שפועלת במרחק מסויים משיווי משקל תרמודינמי בתוך סביבה שאיתה היא מחליפה אנרגיה ו/או חומר. מערכת מפזרת היא דרך לבחון מערכות מורכבות בעלות מאפיינים שונים, ולמצוא בהן קווי דמיון. כל המערכות המפזרות צורכות אקסרגיה ופולטות חום והן שומרות על סדר פנימי כלשהו, רחוק משיווי משקל. כאשר מערכת מפזרת מגיעה לשיווי משקל תרמודינמי מתייחסים למערכת כאל "מערכת מתה" שבה כבר אין פעילות.

דוגמאות למערכות מפזרות כוללות:

שמשות - הופכות אנרגיית כבידה ואנרגיית היתוך גרעיני לאנרגיית חום ולסוגי קרינה שונים כמו אור. בסופו של התהליך השמש מסיימת מכלה את האנרגיה הגלומה בה והופכת לננס לבן, סופרנובה, או חור שחור בתלות במסה שלה.
תא ברנרד - תא קטן של נוזלים שנעים בין רצועה חמה לרצועה קרה.
מערכות גאופיזיות של כוכבי לכת, הכוללות שביטים, סופות ותופעות מזג אוויר, תהליכי זרימה של נוזלים.
סופה כמו הוריקן - אשר שואבת אנרגיית חום מהסביבה שלה ושומרת על מבנה פנימי עד לכילוי האוויר החם הדרוש לה.
יצורים חיים כולל חד תאים, ויצורים רב תאיים כמו צמחים פטריות ובעלי חיים (כולל האדם). יצור חי צורך אנרגיה (בצמחים) וחומר (בקרב כלל היצורים החיים), ופולטים חום כדי לשמור על סדר פנימי - התפקוד של היצור החי. כאשר נפסקת הפעילות הזו היצור החי מת.
מערכות אקולוגיות ומחזורים ביו-גאו-כימיים אשר שומרים על סידור פנימי כלשהו. בניגוד ליצורים חיים, מבנים אלה הם מבנים מבוזרים ולא היררכיים (בהקשר של מטרה), אין להם מטרה מוגדרת והוא מתקיים תודות לשיווי משקל הדדי בין מינים שונים. עם זאת לפי קיי ושניידר, ממלאים מחזורים אלה תפקיד בשיפור הפיזור של אקסרגיה באופן מהיר יותר.
שווקים כלכליים, פירמות כלכליות, מפעלים ומוסדות חברתיים - כלכלנים אקולוגיים מצביעים על כך שגם מערכות חברתיות מתנהגות כמערכת מפזרת - הן צורכות אנרגיה וחומרים כדי לשמור על סדר פנימי של מערכת. ללא זרימה מתמדת של אנרגיה לא ניתן להמשיך לשמור על הסדר הפנימי.

ראו גם

קישורים חיצוניים

תרמודינמיקה בוויקיפדיה האנגלית
מהי טמפרטורה סרטון של MIT שמסביר מה הקשר בין מיקרו-מצבים של מערכת לבין מצב המקרו
Economics as energy framework: Complexity, turbulence, financial crises, and protectionism, John Rutledge, Review of Financial Economics, אפריל 2015

מערכות מורכבות

מושגי יסוד: הוליזם - שיווי משקל - תהליך - אנטרופיה - אקסרגיה - החוק השני של התרמודינמיקה - מידע - ארגון עצמי - הגחה - לולאת משוב - תהליך בלתי הפיך - עמידות - חשל - גידול מעריכי - תגובת יתר