En oversikt over termodynamikk
Varmens fysikk
En oppvarmet metallstang. Dave King/Getty Images
Termodynamikk er felt av fysikk som omhandler forholdet mellom varme og andre egenskaper (som f.eks press , tetthet ,temperaturosv.) i et stoff.
Spesifikt fokuserer termodynamikk i stor grad på hvordan en varmeoverføring er relatert til ulike energiendringer i et fysisk system som gjennomgår en termodynamisk prosess. Slike prosesser resulterer vanligvis i arbeid gjøres av systemet og styres av termodynamikkens lover .
Grunnleggende konsepter for varmeoverføring
Grovt sett forstås varmen til et materiale som en representasjon av energien som finnes i partiklene i det materialet. Dette er kjent som kinetisk teori om gasser , selv om konseptet gjelder i varierende grad for faste stoffer og væsker også. Varmen fra bevegelsen til disse partiklene kan overføres til nærliggende partikler, og derfor til andre deler av materialet eller andre materialer, på en rekke måter:
- Termisk kontakt er når to stoffer kan påvirke hverandres temperatur.
- Termisk likevekt er når to stoffer i termisk kontakt ikke lenger overfører varme.
- Termisk ekspansjon skjer når et stoff utvider seg i volum ettersom det får varme. Termisk sammentrekning eksisterer også.
- Ledning er når varme strømmer gjennom et oppvarmet fast stoff.
- Konveksjon er når oppvarmede partikler overfører varme til et annet stoff, for eksempel å koke noe i kokende vann.
- Stråling er når varme overføres gjennom elektromagnetiske bølger, for eksempel fra solen.
- Isolasjon er når et lavt ledende materiale brukes for å forhindre varmeoverføring.
Termodynamiske prosesser
Et system gjennomgår en termodynamisk prosess når det er en slags energetisk endring i systemet, vanligvis forbundet med endringer i trykk, volum, intern energi (dvs. temperatur), eller noen form for varmeoverføring.
Det er flere spesifikke typer termodynamiske prosesser som har spesielle egenskaper:
- Adiabatisk prosess - en prosess uten varmeoverføring inn eller ut av systemet.
- Isokorisk prosess - en prosess uten endring i volum, i så fall fungerer ikke systemet.
- Isobarisk prosess - en prosess uten endring i trykk.
- Isotermisk prosess - en prosess uten temperaturendring.
Tingenes tilstand
En materietilstand er en beskrivelse av typen fysisk struktur som en materiell substans manifesterer, med egenskaper som beskriver hvordan materialet holder sammen (eller ikke gjør det). Det er fem tingenes tilstand , selv om bare de tre første av dem vanligvis er inkludert i måten vi tenker på materietilstander på:
- gass
- væske
- fast
- plasma
- superfluid (som f.eks Bose-Einstein kondensat )
Mange stoffer kan gå over mellom gass-, væske- og fastfaser av stoffet, mens det er kjent at kun noen få sjeldne stoffer kan gå inn i en superflytende tilstand. Plasma er en distinkt materietilstand, for eksempel lyn
- kondensasjon - gass til væske
- frysing - flytende til fast
- smelting - fast til flytende
- sublimering - fast til gass
- fordampning - flytende eller fast til gass
Varmekapasitet
Varmekapasiteten, C , for et objekt er forholdet mellom endring i varme (energiendring, Δ Q , der det greske symbolet Delta, Δ, angir en endring i mengden) til endring i temperatur (Δ T ).
C = D Q / D T
Varmekapasiteten til et stoff indikerer hvor lett et stoff varmes opp. EN god varmeleder ville ha en lav varmekapasitet , som indikerer at en liten mengde energi forårsaker en stor temperaturendring. En god termisk isolator vil ha stor varmekapasitet, noe som indikerer at mye energioverføring er nødvendig for en temperaturendring.
Ideelle gassligninger
Det finnes ulike ideelle gassligninger som relaterer temperatur ( T 1), press ( P 1), og volum ( I 1). Disse verdiene etter en termodynamisk endring er indikert med ( T to), ( P to), og ( I to). For en gitt mengde av et stoff, n (målt i mol), gjelder følgende forhold:
Boyles lov ( T er konstant):
P 1 I 1= P to I to
Charles/Gay-Lussac Law ( P er konstant):
I 1/ T 1= I to/ T to
Ideell gasslov :
P 1 I 1/ T 1= P to I to/ T to= n
R er den ideell gasskonstant , R = 8,3145 J/mol*K. For en gitt mengde materie, n er konstant, noe som gir den ideelle gassloven.
Termodynamikkens lover
- Null lov om termodynamikk - To systemer hver i termisk likevekt med et tredje system er i termisk likevekt med hverandre.
- Termodynamikkens første lov - Endringen i energien til et system er mengden energi som tilføres systemet minus energien som brukes til arbeid.
- Termodynamikkens andre lov – Det er umulig for en prosess å ha som eneste resultat overføring av varme fra en kjøligere kropp til en varmere.
- Tredje lov om termodynamikk – Det er umulig å redusere noe system til absolutt null i en begrenset rekke av operasjoner. Dette betyr at en perfekt effektiv varmemotor ikke kan lages.
Den andre loven og entropien
Termodynamikkens andre lov kan omformuleres for å snakke om entropi , som er en kvantitativ måling av lidelsen i et system. Endringen i varme dividert med absolutt temperatur er den entropi endring av prosessen. Definert på denne måten kan den andre loven omformuleres som:
I ethvert lukket system vil entropien til systemet enten forbli konstant eller øke.
Av ' lukket system ' det betyr at hver en del av prosessen er inkludert ved beregning av entropien til systemet.
Mer om termodynamikk
På noen måter er det misvisende å behandle termodynamikk som en distinkt disiplin innen fysikk. Termodynamikk berører praktisk talt alle felt innen fysikk, fra astrofysikk til biofysikk, fordi de alle på en eller annen måte omhandler energiendringen i et system. Uten et systems evne til å bruke energi i systemet til å utføre arbeid - hjertet av termodynamikk - ville det ikke vært noe for fysikere å studere.
Når det er sagt, er det noen felt som bruker termodynamikk i forbifarten når de studerer andre fenomener, mens det er et bredt spekter av felt som fokuserer sterkt på de involverte termodynamikksituasjonene. Her er noen av underfeltene til termodynamikk: