Pregled termodinamike

Fizika toplote

Ogrevana kovinska palica. Dave King/Getty Images

Termodinamika je področje fizike ki se ukvarja z odnosom med toplota in druge lastnosti (npr pritisk , gostota ,temperaturo, itd.) v snovi.

Natančneje, termodinamika se v veliki meri osredotoča na to, kako a prenos toplote je povezana z različnimi spremembami energije v fizičnem sistemu, ki je podvržen termodinamičnemu procesu. Posledica takšnih procesov je običajno delo izvaja sistem in jih vodi zakoni termodinamike .

Osnovni koncepti prenosa toplote

Na splošno se toplota materiala razume kot predstavitev energije, ki jo vsebujejo delci tega materiala. To je znano kot kinetična teorija plinov , čeprav se koncept v različni meri uporablja tudi za trdne snovi in ​​tekočine. Toplota zaradi gibanja teh delcev se lahko prenese v bližnje delce in s tem v druge dele materiala ali druge materiale na različne načine:

• Termični kontakt ko lahko dve snovi vplivata na temperaturo druga druge.
• Toplotno ravnotežje je, ko dve snovi v toplotnem stiku ne prenašata več toplote.
• Toplotno raztezanje se zgodi, ko snov poveča prostornino, ko pridobi toploto. Obstaja tudi toplotna kontrakcija.
• Vodenje je, ko toplota teče skozi segreto trdno snov.
• Konvekcija je, ko segreti delci prenesejo toploto na drugo snov, na primer kuhanje nečesa v vreli vodi.
• sevanje je, ko se toplota prenaša prek elektromagnetnih valov, na primer od sonca.
• Izolacija je, ko se za preprečitev prenosa toplote uporabi material z nizko prevodnostjo.

Termodinamični procesi

Sistem je podvržen a termodinamični proces kadar pride do neke vrste energijske spremembe v sistemu, ki je na splošno povezana s spremembami tlaka, volumna, notranje energije (tj. temperature) ali katere koli vrste prenosa toplote.

Obstaja več posebnih vrst termodinamičnih procesov, ki imajo posebne lastnosti:

• Adiabatski proces - proces brez prenosa toplote v sistem ali iz njega.
• Izohorni proces - proces brez spremembe obsega, v tem primeru sistem ne deluje.
• Izobarični proces - proces brez spremembe tlaka.
• Izotermični proces - postopek brez spremembe temperature.

stanja snovi

Agregatno stanje je opis vrste fizične strukture, ki jo kaže materialna snov, z lastnostmi, ki opisujejo, kako material drži skupaj (ali ne). Pet jih je stanja snovi , čeprav so samo prvi trije običajno vključeni v način razmišljanja o agregatnih stanjih:

• plin
• tekočina
• trdna
• plazma
• supertekoče (kot npr Bose-Einsteinov kondenzat )

Številne snovi lahko prehajajo med plinasto, tekočo in trdno fazo snovi, medtem ko je le nekaj redkih snovi znano, da lahko preidejo v superfluidno stanje. Plazma je posebno agregatno stanje, kot je strela

• kondenzacija - plin v tekočino
• zamrzovanje - tekoče v trdno
• taljenje - trdno v tekoče
• sublimacija - trdno v plinasto
• uparjanje - tekoče ali trdno v plin

Toplotna zmogljivost

Toplotna zmogljivost, C , objekta je razmerje spremembe toplote (sprememba energije, Δ Q , kjer grški simbol Delta, Δ, označuje spremembo količine) do spremembe temperature (Δ T ).

C = D Q / D T

Toplotna kapaciteta snovi označuje lahkoto, s katero se snov segreje. A dober toplotni prevodnik bi imel a nizka toplotna kapaciteta , kar kaže, da majhna količina energije povzroči veliko spremembo temperature. Dober toplotni izolator bi imel veliko toplotno kapaciteto, kar pomeni, da je za spremembo temperature potreben velik prenos energije.

Enačbe idealnega plina

Obstajajo različne enačbe idealnega plina ki se nanašajo na temperaturo ( T ₁), pritisk ( p ₁) in glasnost ( IN ₁). Te vrednosti po termodinamični spremembi so označene z ( T _dva), ( p _dva), in ( IN _dva). Za določeno količino snovi, n (merjeno v molih), veljajo naslednja razmerja:

Boylov zakon ( T je konstantna):
p ₁ IN ₁= p _dva IN _dva
Charles/Gay-Lussac Law ( p je konstantna):
IN ₁/ T ₁= IN _dva/ T _dva
Zakon idealnega plina :
p ₁ IN ₁/ T ₁= p _dva IN _dva/ T _dva= n

R ali je idealna plinska konstanta , R = 8,3145 J/mol*K. Za določeno količino snovi torej n je konstantna, kar daje zakon o idealnem plinu.

Zakoni termodinamike

• Zeroeth zakon termodinamike - Dva sistema v toplotnem ravnovesju s tretjim sistemom sta med seboj v toplotnem ravnovesju.
• Prvi zakon termodinamike - Sprememba energije sistema je količina energije, dodane sistemu, zmanjšana za energijo, porabljeno za opravljanje dela.
• Drugi zakon termodinamike - Nemogoče je, da bi proces imel kot edini rezultat prenos toplote s hladnejšega telesa na bolj vroče.
• Tretji zakon termodinamike - Nemogoče je reducirati kateri koli sistem na absolutno ničlo v končnem nizu operacij. To pomeni, da popolnoma učinkovitega toplotnega stroja ni mogoče ustvariti.

Drugi zakon in entropija

O drugem zakonu termodinamike je mogoče govoriti znova entropija , ki je kvantitativna meritev nereda v sistemu. Sprememba toplote, deljena z absolutna temperatura ali je sprememba entropije procesa. Tako definiran drugi zakon je mogoče preoblikovati kot:

V katerem koli zaprtem sistemu bo entropija sistema ostala konstantna ali pa se bo povečala.

avtor ' zaprt sistem 'to pomeni vsak del procesa je vključen pri izračunu entropije sistema.

Več o termodinamiki

Na nek način je obravnavanje termodinamike kot posebne discipline fizike zavajajoče. Termodinamika se dotika skoraj vseh področij fizike, od astrofizike do biofizike, saj se vsa na nek način ukvarjajo s spremembo energije v sistemu. Brez zmožnosti sistema, da uporablja energijo znotraj sistema za opravljanje dela - srce termodinamike - fiziki ne bi imeli ničesar za preučevanje.

Kot rečeno, nekatera področja uporabljajo termodinamiko mimogrede, ko preučujejo druge pojave, medtem ko obstaja širok razpon področij, ki se močno osredotočajo na vpletene termodinamične situacije. Tukaj je nekaj podpodročij termodinamike:

Kriofizika / Kriogenika / Fizika nizkih temperatur- študija fizične lastnosti v razmerah z nizkimi temperaturami, daleč pod temperaturami celo v najhladnejših predelih Zemlje. Primer tega je preučevanje supertekočin. Dinamika tekočin / Mehanika tekočin- preučevanje fizikalnih lastnosti 'tekočin', ki so v tem primeru posebej opredeljene kot tekočine in plini. Fizika visokega tlaka- to študij fizike v sistemih z izjemno visokim tlakom, na splošno v zvezi z dinamiko tekočin. Meteorologija / vremenska fizika- fizika vremena, tlačni sistemi v ozračju itd. Fizika plazme- preučevanje snovi v stanju plazme.