Termodinamika: Enerhiya at Entropy

Introduksyon

• Ang termodinamika ay pag-aaral ng enerhiya, entropy, at mga katangian ng materya.
• Ito ay tumatalakay sa mga relasyon sa pagitan ng init, trabaho, at enerhiya, pati na rin ang mga batas na namamahala sa mga relasyong ito.

Enerhiya

• Ang enerhiya ay ang kakayahang magsagawa ng trabaho.
• Ito ay umiiral sa iba't ibang anyo, tulad ng kinetic, potensyal, thermal, at chemical energy.

Entropy

• Ang entropy ay sumusukat sa thermal energy ng isang sistema kada yunit ng temperatura na hindi magagamit para sa kapaki-pakinabang na trabaho.
• Dahil ang pagsasagawa ng trabaho ay nagmumula sa maayos na paggalaw ng molekula, ang dami ng entropy ay isa ring sukatan ng molecular disorder o randomness ng isang sistema.

Mga Batas ng Termodinamika

• Mayroong apat na batas ng termodinamika.

Zeroth Law

• Kung ang dalawang sistema ay parehong nasa thermal equilibrium sa isang ikatlong sistema, kung gayon sila ay nasa thermal equilibrium sa isa't isa.

Unang Batas

• Ang enerhiya ay hindi maaaring likhain o sirain; ito ay maaari lamang na mabago o mailipat mula sa isang anyo patungo sa isa pa.
• Maaaring isalarawan ang batas na ito bilang:
  $\Delta U = Q - W$
  • kung saan:
    • $\Delta U$ ang pagbabago sa panloob na enerhiya ng sistema.
    • $Q$ ang init na idinagdag sa sistema.
    • $W$ ang gawaing ginawa ng sistema.

Pangalawang Batas

• Ang kabuuang entropy ng isang hiwalay na sistema ay maaari lamang tumaas sa paglipas ng panahon o manatiling pare-pareho sa mga ideal na sitwasyon.
• Hindi ito maaaring bumaba.
• Ipinapahiwatig ng batas na ito na ang init ay hindi maaaring kusang dumaloy mula sa isang mas malamig na katawan patungo sa isang mas mainit na katawan.

Pangatlong Batas

• Habang papalapit ang temperatura ng isang sistema sa absolute zero, ang entropy ng sistema ay papalapit sa isang minimum o zero value.

Mga Proseso ng Termodinamika

• Ang mga proseso ng termodinamika ay mga paraan kung saan maaaring magbago ang isang sistema sa kalagayan nito.
• Ang mga karaniwang uri ng proseso ay kinabibilangan ng:

Isothermal Process

• Isang proseso na nangyayari sa isang pare-parehong temperatura.

Adiabatic Process

• Isang proseso kung saan walang init na naililipat papasok o palabas ng sistema ($Q = 0$).

Isobaric Process

• Isang proseso na nangyayari sa pare-parehong presyon.

Isochoric Process

• Isang proseso na nangyayari sa pare-parehong volume.

Mga Aplikasyon ng Termodinamika

• Ang termodinamika ay ginagamit sa maraming aplikasyon, kabilang ang:
  • Mga Engine: Disenyo at pag-optimize ng internal combustion engine, steam engine, at jet engine.
  • Refrigeration: Pagbuo ng mga refrigerator, air conditioner, at heat pump.
  • Power Generation: Pagsusuri at pagpapabuti ng kahusayan ng mga power plant, kabilang ang mga sistema ng coal, nuclear, at renewable energy.
  • Chemical Processes: Pag-unawa at pag-optimize ng mga reaksyong kemikal, kabilang ang equilibrium, mga antas ng reaksyon, at pangangailangan sa enerhiya.
  • Materials Science: Pag-aaral ng thermal properties ng mga materyales, tulad ng heat capacity, thermal conductivity, at thermal expansion.

Mga Equation ng Termodinamika

Ideal Gas Law

• $PV = nRT$
  • kung saan:
    • $P$ ang presyon ng gas.
    • $V$ ang volume ng gas.
    • $n$ ang dami ng moles ng gas.
    • $R$ ang ideal gas constant.
    • $T$ ang temperatura ng gas.

Heat Capacity

• $Q = mc\Delta T$
  • saan:
    • $Q$ ang init na idinagdag o inalis.
    • $m$ ang masa ng sangkap.
    • $c$ ang specific heat capacity.
    • $\Delta T$ ang pagbabago sa temperatura.

Carnot Efficiency

• $\eta = 1 - \frac{T_c}{T_h}$
  • saan:
    • $\eta$ ang kahusayan ng Carnot engine.
    • $T_c$ ang absolute temperature ng cold reservoir.
    • $T_h$ ang absolute temperature ng hot reservoir.

Kongklusyon

• Ang termodinamika ay isang pangunahing sangay ng physics at engineering na nagbibigay ng batayan para sa pag-unawa sa mga pagbabago ng enerhiya, gawi ng matter, at limitasyon sa kahusayan sa iba't ibang sistema.
• Ang mga prinsipyo nito ay mahalaga para sa pagdisenyo at pagpapabuti ng mga teknolohiya na nakakaapekto sa ating pang-araw-araw na buhay.