Termodynamiikan yleiskatsaus ja peruskäsitteet

Termodynamiikka on fysiikan ala joka käsittelee lämpö ja muut ominaisuudet (kuten paine, tiheys, lämpötilajne.) aineessa.

Erityisesti termodynamiikka keskittyy suuresti siihen, kuinka a lämmönsiirto liittyy erilaisiin energian muutoksiin fyysisessä järjestelmässä, joka käy läpi termodynaamisen prosessin. Tällaiset prosessit johtavat yleensä työ ovat järjestelmän suorittamia ja niitä ohjaavat termodynamiikan lait.

Laajasti ottaen materiaalin lämmöllä tarkoitetaan materiaalin hiukkasissa olevan energian esitystä. Tätä kutsutaan kaasujen kineettinen teoria, vaikka käsitettä sovelletaan vaihtelevassa määrin myös kiintoaineisiin ja nesteisiin. Näiden hiukkasten liikkeestä tuleva lämpö voi siirtyä lähellä oleviin hiukkasiin ja siten materiaalin muihin osiin tai muihin materiaaleihin erilaisin keinoin:

• Terminen kosketus on, kun kaksi ainetta voi vaikuttaa toistensa lämpötilaan.
• Terminen tasapaino on kun kaksi lämpökosketuksessa olevaa ainetta ei enää siirrä lämpöä.
• Lämpölaajeneminen
  instagram viewer
  tapahtuu, kun aine laajenee tilavuudestaan, kun se saa lämpöä. Terminen supistuminen on myös olemassa.
• Johtuminen on kun lämpö virtaa kuumennetun kiinteän aineen läpi.
• konvektion on kun kuumennetut hiukkaset siirtävät lämpöä toiseen aineeseen, kuten keittämään jotain kiehuvassa vedessä.
• säteily on kun lämpöä siirretään sähkömagneettisten aaltojen, kuten auringon, kautta.
• Eristys on silloin, kun matalajohtavaa materiaalia käytetään lämmönsiirron estämiseksi.

Järjestelmä käy läpi termodynaaminen prosessi kun järjestelmässä tapahtuu jonkinlainen energinen muutos, joka yleensä liittyy paineen, tilavuuden, sisäisen energian (ts. lämpötilan) tai minkä tahansa lämmönsiirron muutoksiin.

On olemassa useita erityyppisiä termodynaamisia prosesseja, joilla on erityisiä ominaisuuksia:

• Adiabaattinen prosessi - prosessi, jossa lämpöä ei siirretä järjestelmään tai siitä pois.
• Isohorinen prosessi - prosessi, jossa äänenvoimakkuus ei muutu, jolloin järjestelmä ei toimi.
• Isobaarinen prosessi - prosessi, jossa paine ei muutu.
• Isoterminen prosessi - prosessi, jossa lämpötila ei muutu.

Ainetila on kuvaus fysikaalisen rakenteen tyypistä, jonka aineellinen aine esiintyy, ja ominaisuuksilla, jotka kuvaavat, kuinka materiaali pysyy yhdessä (tai ei). Siellä on viisi aineen tilat, vaikka vain kolme ensimmäistä niistä sisällytetään yleensä tapaan, jolla ajattelemme ainetiloja:

• kaasu
• neste
• vankka
• plasma
• superneste (kuten Bose-Einsteinin kondensaatti)

Monet aineet voivat siirtyä aineen kaasu-, nestemäisen ja kiinteän faasin välillä, kun taas vain harvojen harvinaisten aineiden tiedetään kykenevän pääsemään supernesteiseen tilaan. Plasma on erillinen ainetila, kuten salama

• tiivistyminen - kaasu nesteeksi
• jäätyminen - nesteestä kiinteään
• sulaa - kiinteä nesteeksi
• sublimaatio - kiinteä kaasuksi
• höyrystyminen - nestemäinen tai kiinteä kaasuksi

Lämpökapasiteetti, CKohteen, on lämmön muutoksen suhde (energian muutos, ΔQ, jossa kreikkalainen symboli Delta, Δ, tarkoittaa määrän muutosta) lämpötilan muutokselle (ΔT).

C = Δ Q / Δ T

Aineen lämpökapasiteetti ilmaisee aineen kuumenemisen helppoutta. hyvä lämmönjohdin olisi a alhainen lämpökapasiteetti, joka osoittaa, että pieni määrä energiaa aiheuttaa suuren lämpötilan muutoksen. Hyvällä lämpöeristimellä olisi suuri lämpökapasiteetti, mikä osoittaa, että lämpötilan muutokselle tarvitaan paljon energiansiirtoa.

Niitä on erilaisia ihanteelliset kaasuyhtälöt jotka liittyvät lämpötilaan (T₁), paine (P₁) ja tilavuus (V₁). Nämä arvot termodynaamisen muutoksen jälkeen on merkitty (T₂), (P₂) ja (V₂). Tietylle määrälle ainetta, n (mitattuna moolina) seuraavat suhteet ovat voimassa:

Boylen laki ( T on vakio):
P₁V₁ = P₂V₂
Charles / Gay-Lussac -laki (P on vakio):
V₁/T₁ = V₂/T₂
Ihanteellinen kaasulaki:
P₁V₁/T₁ = P₂V₂/T₂ = nR

R on ihanteellinen kaasuvakio, R = 8,3145 J / mol * K. Siksi tietylle määrälle ainetta nR on vakio, mikä antaa ihanteellisen kaasulain.

• Termodynamiikan nollalaki - Kaksi järjestelmää, kukin lämpötasapainossa kolmannen järjestelmän kanssa, ovat termisessä tasapainossa toistensa kanssa.
• Termodynamiikan ensimmäinen laki - Järjestelmän energian muutos on järjestelmään lisätyn energian määrä, josta on vähennetty työn tekemiseen käytetty energia.
• Termodynamiikan toinen laki - Prosessin yksin seurauksena on mahdotonta siirtää lämpöä viileämmästä kappaleesta kuumempaan.
• Kolmas termodynamiikan laki - Mitään järjestelmää ei voida alentaa absoluuttiseen nollaan rajallisissa operaatiosarjoissa. Tämä tarkoittaa, että täysin tehokasta lämpömoottoria ei voida luoda.

Termodynamiikan toista lakia voidaan toistaa puhuakseen haje, joka on häiriön kvantitatiivinen mittaus järjestelmässä. Lämmönmuutos jaettuna absoluuttinen lämpötila on entropian muutos prosessista. Tällä tavalla määritelty toinen laki voidaan toistaa seuraavasti:

Missä tahansa suljetussa järjestelmässä järjestelmän entropia joko pysyy vakiona tai kasvaa.

Lähettäjä "suljettu järjestelmä" se tarkoittaa sitä joka osa prosessista otetaan huomioon laskettaessa järjestelmän entropiaa.

Termodynamiikan käsitteleminen erillisenä fysiikan oppiaineena on tietyllä tavalla harhaanjohtava. Termodynamiikka koskettaa käytännöllisesti katsoen kaikkia fysiikan aloja, astrofysiikasta biofysiikkaan, koska ne kaikki käsittelevät jollain tavalla energian muutosta järjestelmässä. Ilman järjestelmän kykyä käyttää järjestelmän sisällä olevaa energiaa työhön - termodynamiikan sydämeen - fyysikoille ei olisi mitään opiskelua.

Tästä huolimatta on olemassa joitain kenttiä, jotka käyttävät termodynamiikkaa ohittaessaan tutkiessaan muita ilmiöitä, kun taas on laaja valikoima kenttiä, jotka keskittyvät voimakkaasti termodynamiikkatilanteisiin mukana. Tässä on joitain termodynamiikan alakenttiä:

• Kryofysiikka / Kryogenikka / Fysiikka matalassa lämpötilassa - tutkimus fyysiset ominaisuudet matalassa lämpötilassa, kaukana maapallon kylmimmillä alueilla koettujen lämpötilojen alapuolella. Esimerkki tästä on supernesteiden tutkimus.
• Nesteen dynamiikka / nestemekaniikka - "nesteiden" fysikaalisten ominaisuuksien tutkiminen, jotka tässä tapauksessa on määritelty erityisesti nesteiksi ja kaasuiksi.
• Korkeapainefysiikka - fysiikan opiskelu erittäin korkeapaineisissa järjestelmissä, jotka liittyvät yleensä nesteen dynamiikkaan.
• Meteorologia / sääfysiikka - sääfysiikka, ilmakehän painejärjestelmät jne.
• Plasmafysiikka - aineen tutkimus plasman tilassa.