הצגת המקור של הדף "תרמודינמיקה"

[[קובץ:Triple expansion engine animation.gif|ממוזער|400px|שמאל|מערכת תרמודינמית טיפוסית. חום עובר מ[[דוד חימום]] ל[[מעבה]] והופך אנרגיית חום לעבודה]]
'''תֶּרְמוֹדִינָמִיקָה''' היא ענף ב[[פיזיקה]] הקלאסית העוסק בחקר ה[[אנרגיה]], בתמורות שהיא עוברת בין מופעיה השונים וביכולתה לבצע [[עבודה (פיזיקה)|עבודה]]. המחקר בתחום התרמודינמיקה מאפשר הבנה וניתוח התמורות והאנרגיות הטמונות בחומר, כמו [[חום (פיזיקה)|חוֹם]] ו[[אנטרופיה]], תמורות שאי אפשר להבחין בהן או למדוד אותן בעזרת התצפיות המאקרוסקופיות; על ידי שימוש במעט נתונים ובכלים פשוטים, מעניק ענף זה של הפיזיקה יכולת ניתוח למערכות בהן הוא עוסק.

== היסטוריה ==
=== התפתחות מוקדמת ===
ב[[העת העתיקה|עת העתיקה]], אנשים קישרו חום לאש. בסביבות שנת 3000 לפנה"ס ב[[מצרים העתיקה]], האמינו כי חום קשור ל[[סיפור בריאה|סיפורי בריאה]].{{הערה|J.Gwyn Griffiths (1955). "The Orders of Gods in Greece and Egypt (According to Herodotus)". The Journal of Hellenic Studies. 75: 21–23. <br>[[DOI|doi]]:[https://doi.org/10.2307%2F629164 10.2307/629164]. [[JSTOR]] [https://www.jstor.org/stable/629164 629164]. [[Semantic Scholar|S2CID]] [https://api.semanticscholar.org/CorpusID:163016846 163016846]}} ב[[פילוסופיה הודית]] עתיקה, ובכלל זאת ב[[ודה|פילוסופיה הוודית]], האמינו כי חמישה [[היסודות הקלאסיים|יסודות קלאסיים]] ([[אדמה]], [[מים]], [[אוויר]], [[אש]], ומאוחר יותר, [[אתר (מיתולוגיה)|אתר]]) הם הבסיס ליצירה בקוסמוס.{{הערה|Gopal, Madan (1990). K.S. Gautam (ed.). [https://archive.org/details/indiathroughages00mada India through the ages]. Publication Division, Ministry of Information and Broadcasting, Government of India. p. [https://archive.org/details/indiathroughages00mada/page/79 79].|כיוון=שמאל}} ב[[פילוסופיה מערבית|פילוסופיה המערבית]] היו ויכוחים רבים בין [[פרה סוקרטי|פילוסופים פרה-סוקרטיים]] לגבי היסודות הראשוניים, וב[[המאה ה-5 לפנה"ס|מאה ה-5 לפנה"ס]] הציע [[פילוסופיה יוונית|הפילוסוף היווני]] [[אמפדוקלס]] תיאוריה של ארבעה יסודות קלאסיים (אדמה, מים אוויר ואש). מושג האש לפי אמפידוקלס ככל הנראה היה ההשראה למושגים [[פלוגיסטון]] ו[[קלוריק]]. בסביבות שנת 500 לפנה"ס, הפילוסוף היווני [[הרקליטוס]] נודע כפילוסוף של "השטף והאש" (flux and fire) בשל אמירתו - "הכול זורם". על פי הרקליטוס, שלושת היסודות הראשוניים הם מים, אדמה ואש.{{הערה|[https://en.wikisource.org/wiki/Fragments%20of%20Heraclitus פרגמנט 31] של הרקליטוס.}}

====אימת הריק====
מקור הרעיון של [[אימת הריק (פיזיקה)|אימת הריק]] הוא בשיר "על הטבע" של הפילוסוף היווני [[פרמנידס]], גם הוא מהמאה ה-5 לפנה"ס. בשיר טוען פרמנידס כי [[ריק]] אינו יכול להתקיים בטבע. [[אריסטו]] הביא תימוכין נוספים לטענה זו, אך [[לוקיפוס]] ו[[הרון מאלכסנדריה]] ביקרו אותה. מהעת העתיקה ועד [[ימי הביניים]] נעשו ניסיונות נוספים לאשש ולהפריך את הטענה, ואף היו מספר ניסיונות ליצור ריק, ללא הצלחה.

====אטומיזם פילוסופי====
[[התורה האטומית#אטומיזם פילוסופי|אטומיזם]] הוא רעיון מרכזי בקשר בין תרמודינמיקה לבין [[מכניקה סטטיסטית]]. פילוסופים מהעת העתיקה כגון [[דמוקריטוס]] ו[[לוקיפוס]], ומאוחר יותר [[האסכולה האפיקוראית|האפיקוראים]], פיתחו וקידמו את [[האסכולה האטומיסטית]], ובכך הניחו את היסודות ל[[התורה האטומית|תורה האטומית]] המאוחרת יותר. עד שהתקבלו הוכחות ניסיוניות לתיאוריה במאה ה-20, האסכולה התבססה בעיקרה על טיעונים פילוסופיים.

===המאה ה-17===
{{להשלים|נושא=מדעי הטבע}}

=== המאות ה־18 וה־19 ===
תחום התרמודינמיקה התפתח באופן אמפירי עקב חקר ה[[נצילות|יעילות]] של [[מנוע]]ים ו[[מכונת קרנו|מכונות חום]] בהם נעשה שימוש מ[[המאה ה-18|המאה ה־18]] ועד [[המאה ה-20|המאה ה־20]]. מדע זה התבסס בעיקר על עריכת תצפיות וניסוח משוואות לגדלים מאקרוסקופיים כמו [[לחץ]], [[נפח]] ו[[טמפרטורה]] – אף על פי שלא הייתה הבנה מלאה של מושגים אלה. חוקי התרמודינמיקה נוסחו כחוקים אמפיריים, כלומר: כמסקנה המכלילה תצפיות ניסיוניות, מבלי שניתן להן צידוק או הסבר יסודי יותר.

==== התורה האטומיסטית ====
במאה ה־19 החלו מדענים דוגמת [[לודוויג בולצמן]] לפתח [[תורה קינטית של החום]] המסבירה את תופעות התרמודינמיקה באמצעות ההנחה שהחומר מורכב מחלקיקים קטנים, הנקראים [[חלקיק|אטומים]], למשל, המודל של [[גז אידיאלי]] דליל הוא אוסף כדורים קופצניים וקטנים הנעים במהירות לכל עבר, מבלי שהם מבצעים אינטראקציה אחד עם השני. התורה האטומיסטית הוכיחה את עצמה מעל ומעבר בהסברת התופעות וחוקי התרמודינמיקה, אך עד למאמר המפורסם של איינשטיין בנוגע ל[[תנועה בראונית]] עדיין היה ספק בקרב קהילת הפיזיקאים בנוגע לקיומם של [[אטום|אטומים]].

לפי התורה האטומיסטית, התרמודינמיקה היא [[סטטיסטיקה|תורה סטטיסטית]] הדנה בצברים עצומים (בסדר גודל של [[מספר אבוגדרו]] <math>\ 6.02 \times 10^{23} </math> חלקיקים) והיא מתארת תכונות מקרוסקופיות של הצבר וממוצעים. באמצעות תורה זו הוסקו מספר תובנות מעניינות לגבי [[מושגים בתרמודינמיקה]] שעד אז לא הייתה הבנה מלאה שלהם:
*מצב מקרוסקופי הוא מצב המאופיין רק באמצעות התכונות של כלל המערכת, שאותן ניתן למדוד, כגון [[אנרגיה]], [[נפח]], [[טמפרטורה]], [[לחץ]] וכו'.
*[[מצב מיקרוסקופי (מכניקה סטטיסטית)|מצב מיקרוסקופי]] הוא מצב המאופיין במיקום ובתנע של כל חלקיק במערכת. בפועל, עבור מערכות גדולות לא ניתן למדוד מצבים כאלה או לחשב את הדינמיקה שלהם באופן אנליטי ומדויק.
*מצב [[שיווי משקל תרמודינמי]] לפי תורה זו הוא המצב המקרוסקופי המסתבר ביותר של המערכת.
*[[אנטרופיה]] היא מדד אדיטיבי לריבוי [[מצב מיקרוסקופי (מכניקה סטטיסטית)|המצבים המיקרוסקופיים]] האפשריים של המערכת עבור מצב מקרוסקופי נתון.
*[[טמפרטורה]] היא מדד ל[[אנרגיה קינטית|אנרגיה הקינטית]] הממוצעת של המערכת.
למרות הישגים גדולים אלו, תורה זו עדיין לא הייתה מושלמת.

=== המאה ה־20 ===
בשנים [[1904]]–[[1905]] פרסם [[אלברט איינשטיין]] סדרת של מאמרים אשר הניחה את הבסיס ל[[מכניקה סטטיסטית|מכניקה הסטטיסטית]]. במאמריו ניתח איינשטיין דווקא את הסטיות מה[[ממוצע]] והראה שבאמצעותן אפשר ללמוד רבות על הפיזיקה של המערכת; השלב הבא בהתפתחותה של התרמודינמיקה שילב את [[מכניקת הקוונטים]] ב[[מכניקה סטטיסטית|מכניקה הסטטיסטית]]. שילוב זה היה מהותי מאחר שרק באמצעות מכניקת הקוונטים אפשר לספור נכון את [[מצב מיקרוסקופי (מכניקה סטטיסטית)|המצבים המיקרוסקופיים]] כראוי ולחשב [[פונקציית ריבוי|פונקציות ריבוי]] נכונות.

החל ממחצית השנייה של [[המאה ה-20]] החלה התפתחות של [[תרמודינמיקה סופית בזמן]].

== ארבעת החוקים הבסיסיים ==
בעולם התרמודינמיקה ישנם ארבעה חוקים מרכזיים:<ref>{{דוידסון|לירן שמשי|מהם חוקי התרמודינמיקה? חיים|askexpert/physics/מהם-חוקי-התרמודינמיקה-חיים|5 בספטמבר, 2009}}.</ref>
#'''[[חוק האפס של התרמודינמיקה]]''' – חוק ה[[יחס שקילות|שקילות]] ([[טרנזיטיביות]]) של [[שיווי משקל תרמי|שיווי המשקל התרמי]] - אם מערכות A ו־B בשיווי משקל תרמי זו עם זו וגם מערכות B ו־C בשיווי משקל תרמי זו עם זו, אזי גם מערכות A ו־C בשיווי משקל תרמי זו עם זו.
#'''[[החוק הראשון של התרמודינמיקה]]''' – הרחבה של [[חוק שימור האנרגיה]], אנרגיה אינה נעלמת ואינה נוצרת יש מאין, כשהחוק מוסיף עוד צורה של מעבר אנרגיה אל המערכת (או ממנה), וזהו ה[[חום (פיזיקה)|חום]]. הניסוח המתמטי של החוק הוא: <math>\ \Delta U = Q - W</math> כאשר U היא ה[[אנרגיה פנימית|אנרגיה הפנימית]], W ה[[עבודה (פיזיקה)|עבודה]] שנעשתה על ידי המערכת ו־Q החום שזרם אליה.
#'''[[החוק השני של התרמודינמיקה]]''' – מערכת תשאף תמיד לרמת ה[[אנטרופיה]] (אי־הסדר) הגבוהה ביותר, וכן לרמת האנרגיה הנמוכה ביותר. חוק זה בא לידי ביטוי בעיקר ב[[תגובה כימית|תגובות כימיות]]. ניסוחו היותר מדויק הוא: במערכת מבודדת, ב[[תהליך ספונטני]], האנטרופיה יכולה רק לגדול.
#'''[[החוק השלישי של התרמודינמיקה]]''' – בטמפרטורה של [[האפס המוחלט]] (273.15 - מעלות צלזיוס)<!-- ההפרש בין הסולמות הוא בדיוק 273.15 ולא 273.16. נא לא לשנות זאת, אם יש ספקות או שאלות נא לשאול בדף השיחה. -->, ה[[אנטרופיה]] שווה לאפס או ליתר דיוק ל[[לוגריתם]] של [[ניוון (פיזיקה)|ניוון]] [[רמת היסוד]].

== מונחי יסוד ==
*[[מערכת]] – חלק מהמרחב התחום במעטפת מוגדרת היטב.
*מערכת פתוחה – מערכת שבה חומר יכול לעבור בין הסביבה למערכת.
*מערכת סגורה – מערכת שבה חומר אינו יכול לעבור בין הסביבה למערכת, אך אנרגיה יכולה לעבור ביניהן.
*מערכת מבודדת – מערכת שבה לא מתאפשר מעבר הן של חומר והן של אנרגיה בין הסביבה למערכת.
*[[תכונה ראשונית]] – תוצאה של ניסויי שניתן לבצע על מערכת בלי ידע מוקדם עליה ומבלי צורך לשנות את המערכת. למשל: נפח, אורך, מסה, צפיפות, טמפרטורה, לחץ.
*תכונה נגזרת – תכונה שאי אפשר למדוד אותה, על ידי ניסוי ישיר, מבלי לגרום '''שינוי''' במערכת.
*תכונה אקסטנסיבית – תכונה התלויה בכמות החומר במערכת. למשל: נפח, מסה.
*תכונה אינטנסיבית – תכונה '''שאינה''' תלויה בכמות החומר במערכת. למשל: צפיפות, נפח סגולי, אנרגיה סגולית, [[אנתלפיה]] סגולית.
*[[מצב (תרמודינמיקה)]] – אוסף כל התכונות הראשוניות של המערכת.
*[[סביבה (מערכות)|סביבה]] – כל מה שנמצא מחוץ למערכת ויכול להשפיע עליה.
*[[אינטראקציה]] – סוג ההשפעה של המערכת על הסביבה ולהפך.
*[[שיווי משקל תרמודינמי|שיווי משקל]] – מצב שאינו ניתן לשינוי בלי אינטראקציה עם הסביבה. במצב שיווי משקל אין שינוי בתכונות המקרוסקופיות של המערכת.

=== ארבעה סוגים של שיווי משקל ===
*יציב – תמיד חוזר למצב שיווי משקל ההתחלתי שהיה למערכת, עבור כל הפרעה. לדוגמה – חרוט המונח על בסיסו.
*רופף – שינוי קל גורם לשינוי גדול במערכת. לדוגמה – חרוט מונח על קודקודו.
*אדיש – שינוי קל מוציא ממצב שיווי משקל את המערכת. לדוגמה חרוט מונח על צידו.
*יציב למֶחֱצה – גודל ההפרעה לשיווי המשקל קובע את המעבר למצב שיווי המשקל החדש.

== תתי נושאים ==
*[[משוואת מצב|משוואות מצב]] – קשרים בין [[לחץ]], [[צפיפות החומר|צפיפות]] ו[[טמפרטורה]].
*[[גז|תורה קינטית של הגזים]] ובייחוד מודל [[גז אידיאלי]].
*[[תרמודינמיקה קוונטית]].
*[[תורה קינטית של החום]].
*חקר ה[[אנרגיה]] – מעברי אנרגיה, חום ועבודה, מעברי חום, [[נצילות]] ו[[יעילות]], [[מנוע]]ים.
*[[מצב צבירה|מצבי צבירה]] ו[[מעבר פאזה|מעברי פאזה]].
*גזים קוונטים – [[גז פרמיונים מנוון]], [[עיבוי בוז-איינשטיין]].

== ראו גם ==
* [[פיזיקה קלאסית]] ו[[פיזיקה מודרנית]].
* [[תרמודינמיקה יחסותית]]

==קישורים חיצוניים==
{{מיזמים}}
* {{דף שער בספרייה הלאומית|987007534160105171|תרמודינמיקה}}
{{תקציר פורטל|פיזיקה}}
*{{אבני דרך|3248|עשר התגליות הגדולות בפיזיקה ובאסטרונומיה}}.
*{{דוידסון|לירן שמשי|מהם חוקי התרמודינמיקה? חיים|askexpert/physics/מהם-חוקי-התרמודינמיקה-חיים|5 בספטמבר, 2009}}.
*{{אקו-ויקי|תרמודינמיקה}}
*{{יוטיוב|YIgfAa1RNNY|שם=קיפאון מיידי של מי סודה שקוררו מעבר לנקודת הקיפאון}} – מי הסודה קוררו מעבר לנקודת הקיפאון כך שהם במצב מטה סטבילי, שמופר עם פתיחת הפקק, דבר הגורם לקיפאון מידי (צולם ב[[מרכז אילן רמון לנוער שוחר פיזיקה]] במהלך [[פסטיבל מדע|ליל המדענים 2010]]).
*{{בריטניקה}}

==הערות שוליים==
{{הערות שוליים}}

{{תרמודינמיקה}}
{{נושאים בפיזיקה}}
{{בקרת זהויות}}

[[קטגוריה:תרמודינמיקה|*]]
[[קטגוריה:תורות פיזיקליות]]
[[קטגוריה:תחומים בכימיה]]
[[קטגוריה:תחומים בפיזיקה]]