Termodynamiköversikt och grundläggande begrepp

Termodynamik är fysikområdet som handlar om förhållandet mellan värme och andra egenskaper (t.ex. tryck, densitet, temperatur, etc.) i ett ämne.

Specifikt fokuserar termodynamik till stor del på hur a värmeöverföring är relaterad till olika energiförändringar i ett fysiskt system som genomgår en termodynamisk process. Sådana processer resulterar vanligtvis i arbete görs av systemet och styrs av termodynamiklagar.

I stort sett förstås värmen i ett material som en representation av energin i materialets partiklar. Detta är känt som kinetisk teori om gaser, även om konceptet i varierande grad gäller för fasta och vätskor också. Värmen från rörelsen hos dessa partiklar kan överföras till närliggande partiklar, och därför till andra delar av materialet eller andra material, på olika sätt:

• Termisk kontakt är när två ämnen kan påverka varandras temperatur.
• Termisk jämvikt är när två ämnen i termisk kontakt inte längre överför värme.
• Termisk expansion sker när ett ämne expanderar i volym när det får värme. Termisk sammandragning finns också.
instagram viewer
• Ledning är när värme rinner genom ett uppvärmt fast ämne.
• Konvektion är när uppvärmda partiklar överför värme till en annan substans, till exempel att laga något i kokande vatten.
• Strålning är när värme överförs genom elektromagnetiska vågor, till exempel från solen.
• Isolering är när ett lågledande material används för att förhindra värmeöverföring.

Ett system genomgår en termodynamisk process när det sker någon form av energiförändring i systemet, i allmänhet förknippat med förändringar i tryck, volym, intern energi (dvs temperatur) eller någon form av värmeöverföring.

Det finns flera specifika typer av termodynamiska processer som har speciella egenskaper:

• Adiabatisk process - en process utan värmeöverföring till eller från systemet.
• Isokorisk process - en process utan volymförändring, i vilket fall systemet inte fungerar.
• Isobarisk process - en process utan tryckförändring.
• Isotermisk process - en process utan temperaturförändring.

En materia är en beskrivning av den typ av fysisk struktur som ett material ämne manifesterar med egenskaper som beskriver hur materialet håller samman (eller inte). Det finns fem materiens tillstånd, även om bara de första tre av dem är vanligtvis inkluderade i vårt sätt att tänka på tillstånd:

• gas
• flytande
• fast
• plasma
• överflödigt (såsom a Bose-Einstein kondensat)

Många ämnen kan övergå mellan gas, vätska och fasta ämnesfaser, medan det endast är känt att några få sällsynta ämnen kan gå in i ett överflödigt tillstånd. Plasma är ett tydligt ämnesläge, såsom blixt

• kondensation - gas till vätska
• frysning - vätska till fast substans
• smälta - fast till vätska
• sublime - fast till gas
• förångning - flytande eller fast till gas

Värmekapaciteten, C, för ett objekt är förhållandet förändring i värme (energiförändring, ΔQ, där den grekiska symbolen Delta, Δ, anger en förändring i mängden) för att ändra temperatur (ΔT).

C = Δ Q / Δ T

Ett ämnes värmekapacitet indikerar hur lätt ett ämne värms upp. EN bra värmeledare skulle ha en låg värmekapacitet, vilket indikerar att en liten mängd energi orsakar en stor temperaturförändring. En bra värmeisolator skulle ha en stor värmekapacitet, vilket indikerar att mycket energiöverföring behövs för en temperaturförändring.

Det finns olika idealiska gasekvationer som relaterar temperatur (T₁), tryck (P₁) och volym (V₁). Dessa värden efter en termodynamisk förändring indikeras av (T₂), (P₂) och (V₂). För en given mängd av ett ämne, n (mätt i mol), har följande förhållanden:

Boyle's Law ( T är konstant):
P₁V₁ = P₂V₂
Charles / Gay-Lussac lag (P är konstant):
V₁/T₁ = V₂/T₂
Ideal Gas Law:
P₁V₁/T₁ = P₂V₂/T₂ = nR

R är idealisk gaskonstant, R = 8,3145 J / mol * K. För en given mängd materia, därför nR är konstant, vilket ger den ideala gaslagen.

• Zeroeth Law of Thermodynamics - Två system vardera i termisk jämvikt med ett tredje system är i termisk jämvikt med varandra.
• Termodynamikens första lag - Förändringen i energisystemet i systemet är mängden energi som läggs till systemet minus energin som används på arbete.
• Den andra termodynamiklagen - Det är omöjligt för en process att ha sitt enda resultat att överföra värme från en kallare kropp till en varmare.
• Tredje lag av termodynamik - Det är omöjligt att reducera något system till absolut noll i en ändlig serie av operationer. Det betyder att en perfekt effektiv värmemotor inte kan skapas.

Termodynamikens andra lag kan omarbetas för att prata om entropi, som är en kvantitativ mätning av störningen i ett system. Förändringen i värme dividerat med absolut temperatur är entropiförändring av processen. Definierat på detta sätt kan den andra lagen ändras på följande sätt:

I vilket stängt system som helst kommer systemets entropi antingen att förbli konstant eller öka.

Förbi "stängt system" det betyder att varje del av processen ingår vid beräkning av systemets entropi.

På vissa sätt är det missvisande att behandla termodynamik som en distinkt fysikdisciplin. Termodynamik berör praktiskt taget alla fysikområden, från astrofysik till biofysik, eftersom de alla på något sätt handlar om energiförändring i ett system. Utan förmågan hos ett system att använda energi i systemet för att utföra arbete - hjärtat i termodynamik - skulle det inte finnas något för fysiker att studera.

Som sagt, det finns vissa områden som använder termodynamik i förbigående när de studerar andra fenomen, medan det finns ett brett spektrum av fält som fokuserar starkt på de termodynamiska situationerna inblandade. Här är några av fälten för termodynamik:

• Kryofysik / Kryogenik / Låg temperaturfysik - studien av fysikaliska egenskaper i situationer med låg temperatur, långt under temperaturer som upplevs i även de kallaste områdena på jorden. Ett exempel på detta är studien av superfluider.
• Fluid Dynamics / Fluid Mechanics - studien av de fysikaliska egenskaperna hos "vätskor", särskilt definierade i detta fall som vätskor och gaser.
• Högtrycksfysik - studier av fysik i extremt högtryckssystem, generellt relaterade till vätskedynamik.
• Meteorologi / väderfysik - fysik i vädret, trycksystem i atmosfären, etc.
• Plasmafysik - studien av materia i plasmatillståndet.