Przegląd termodynamiki

Fizyka ciepła

Podgrzewany metalowy pręt. Dave King/Getty Images

Termodynamika to dziedzina fizyki która zajmuje się relacją między ciepło i inne właściwości (takie jak nacisk , gęstość ,temperaturaitp.) w substancji.

W szczególności termodynamika koncentruje się głównie na tym, jak a wymiana ciepła wiąże się z różnymi zmianami energii w układzie fizycznym podlegającym procesowi termodynamicznemu. Takie procesy zwykle skutkują: praca są wykonywane przez system i kierują się prawa termodynamiki .

Podstawowe pojęcia wymiany ciepła

Mówiąc ogólnie, ciepło materiału jest rozumiane jako reprezentacja energii zawartej w cząstkach tego materiału. Jest to znane jako teoria kinetyczna gazów , chociaż koncepcja ta dotyczy w różnym stopniu również ciał stałych i cieczy. Ciepło z ruchu tych cząstek może przenosić się na pobliskie cząstki, a tym samym na inne części materiału lub inne materiały, na różne sposoby:

• Kontakt termiczny to sytuacja, w której dwie substancje mogą wpływać na siebie nawzajem.
• Równowaga termiczna ma miejsce wtedy, gdy dwie substancje w kontakcie termicznym nie przenoszą już ciepła.
• Rozszerzalność termiczna ma miejsce, gdy substancja zwiększa swoją objętość, gdy zyskuje ciepło. Istnieje również skurcz termiczny.
• Przewodzenie jest wtedy, gdy ciepło przepływa przez ogrzane ciało stałe.
• Konwekcja ma miejsce, gdy podgrzane cząstki przenoszą ciepło na inną substancję, na przykład gotując coś we wrzącej wodzie.
• Promieniowanie Dzieje się tak, gdy ciepło jest przenoszone przez fale elektromagnetyczne, na przykład ze słońca.
• Izolacja ma miejsce, gdy używany jest materiał słabo przewodzący, aby zapobiec przenoszeniu ciepła.

Procesy termodynamiczne

System przechodzi proces termodynamiczny kiedy w systemie zachodzi jakaś zmiana energetyczna, zwykle związana ze zmianami ciśnienia, objętości, energii wewnętrznej (tj. temperatury) lub dowolnego rodzaju przenoszeniem ciepła.

Istnieje kilka specyficznych rodzajów procesów termodynamicznych, które mają specjalne właściwości:

• Proces adiabatyczny - proces bez przenoszenia ciepła do lub z systemu.
• Proces izochoryczny - proces bez zmiany objętości, w którym to przypadku system nie działa.
• Proces izobaryczny - proces bez zmiany ciśnienia.
• Proces izotermiczny - proces bez zmiany temperatury.

Stany materii

Stan skupienia to opis typu struktury fizycznej, jaką przejawia substancja materialna, z właściwościami opisującymi, w jaki sposób materiał trzyma się razem (lub nie). Jest pięć Stany materii , chociaż tylko pierwsze trzy z nich są zwykle uwzględniane w sposobie, w jaki myślimy o stanach skupienia:

• gaz
• płyn
• solidny
• osocze
• nadciekły (takie jak Kondensat Bosego-Einsteina )

Wiele substancji może przechodzić między fazą gazową, ciekłą i stałą materii, podczas gdy wiadomo, że tylko kilka rzadkich substancji może wejść w stan nadciekł. Plazma to odrębny stan materii, taki jak błyskawica

• kondensacja - gaz do cieczy
• zamrażanie - od cieczy do ciała stałego
• topnienie - od ciała stałego do płynnego
• sublimacja - ze stanu stałego na gaz
• waporyzacja - ciecz lub ciało stałe do gazu

Pojemność cieplna

Pojemność cieplna, C , obiektu jest stosunkiem zmiany ciepła (zmiana energii, Δ Q , gdzie grecki symbol Delta, Δ, oznacza zmianę ilości) do zmiany temperatury (Δ T ).

C = D Q / D T

Pojemność cieplna substancji wskazuje na łatwość, z jaką substancja się nagrzewa. A dobry przewodnik cieplny miałby niska pojemność cieplna , wskazując, że niewielka ilość energii powoduje dużą zmianę temperatury. Dobry izolator termiczny miałby dużą pojemność cieplną, co wskazuje, że do zmiany temperatury potrzebne jest dużo transferu energii.

Równania gazu doskonałego

Są różne równania gazu doskonałego które dotyczą temperatury ( T ₁), nacisk ( P ₁) i głośność ( W ₁). Wartości te po zmianie termodynamicznej są oznaczone ( T _dwa), ( P _dwa), oraz ( W _dwa). Dla danej ilości substancji, n (mierzone w molach), zachodzą następujące zależności:

Prawo Boyle'a ( T jest stała):
P ₁ W ₁= P _dwa W _dwa
Prawo Charlesa/Geja-Lussaca ( P jest stała):
W ₁/ T ₁= W _dwa/ T _dwa
Prawo dotyczące gazu doskonałego :
P ₁ W ₁/ T ₁= P _dwa W _dwa/ T _dwa= n

R jest idealna stała gazowa , R = 8,3145 J/mol*K. Dlatego dla danej ilości materii n jest stała, co daje Prawo Gazu Idealnego.

Prawa termodynamiki

• Zerote Prawo Termodynamiki - Dwa układy, każdy w równowadze termicznej, z trzecim układem, są względem siebie w równowadze termicznej.
• Pierwsza zasada termodynamiki - Zmiana energii systemu to ilość energii dodanej do systemu minus energia zużyta na pracę.
• Druga zasada termodynamiki - Niemożliwe jest, aby jedynym wynikiem procesu było przenoszenie ciepła z ciała chłodniejszego do cieplejszego.
• Trzecie Prawo Termodynamiki - Niemożliwe jest zredukowanie jakiegokolwiek systemu do zera absolutnego w skończonej serii operacji. Oznacza to, że nie można stworzyć idealnie wydajnego silnika cieplnego.

Drugie prawo i entropia

Można ponownie omówić drugie prawo termodynamiki entropia , który jest ilościowym pomiarem zaburzenia w systemie. Zmiana ciepła podzielona przez temperatura absolutna jest zmiana entropii procesu. Zdefiniowane w ten sposób Drugie Prawo można przeredagować jako:

W każdym systemie zamkniętym entropia systemu albo pozostanie stała, albo wzrośnie.

Za pomocą ' zamknięty system ' to znaczy, że każdy część procesu jest uwzględniana przy obliczaniu entropii układu.

Więcej o termodynamice

Pod pewnymi względami traktowanie termodynamiki jako odrębnej dyscypliny fizyki jest mylące. Termodynamika dotyka praktycznie każdej dziedziny fizyki, od astrofizyki po biofizykę, ponieważ wszystkie one w jakiś sposób zajmują się zmianami energii w systemie. Bez zdolności systemu do wykorzystywania energii w systemie do wykonywania pracy — serca termodynamiki — fizycy nie mieliby czego badać.

To powiedziawszy, niektóre dziedziny wykorzystują termodynamikę mimochodem, badając inne zjawiska, podczas gdy istnieje szeroki zakres dziedzin, które koncentrują się w dużej mierze na związanych z nimi sytuacjach termodynamiki. Oto niektóre z poddziedzin termodynamiki:

Kriofizyka / Kriogenika / Fizyka Niskich Temperatur- nauka o właściwości fizyczne w sytuacjach niskich temperatur, znacznie niższych od temperatur występujących nawet w najzimniejszych regionach Ziemi. Przykładem tego jest badanie nadcieczy. Dynamika płynów / mechanika płynów- badanie właściwości fizycznych „płynów”, w tym przypadku konkretnie określonych jako ciecze i gazy. Fizyka wysokich ciśnień- studium fizyki w układach ekstremalnie wysokich ciśnień, ogólnie związanych z dynamiką płynów. Meteorologia / Fizyka pogody- fizyka pogody, systemy ciśnieniowe w atmosferze itp. Fizyka plazmy- badanie materii w stanie plazmy.