Termodynamik oversigt og grundlæggende koncepter

Termodynamik er felt af fysik der handler om forholdet mellem varme og andre egenskaber (såsom tryk, massefylde, temperaturosv.) i et stof.

Konkret fokuserer termodynamik stort set på, hvordan a varmeoverførsel er relateret til forskellige energiforandringer i et fysisk system, der gennemgår en termodynamisk proces. Sådanne processer resulterer normalt i arbejde udføres af systemet og styres af termodynamiske love.

Stort set forstås varmen fra et materiale som en repræsentation af energien indeholdt i partiklerne i dette materiale. Dette er kendt som kinetisk teori om gasser, selvom konceptet også varierer i forhold til faste stoffer og væsker. Varmen fra bevægelsen af ​​disse partikler kan overføres til nærliggende partikler og derfor til andre dele af materialet eller andre materialer på forskellige måder:

• Termisk kontakt er, når to stoffer kan påvirke hinandens temperatur.
• Termisk ligevægt er, når to stoffer i termisk kontakt ikke længere overfører varme.
instagram viewer
• Varmeudvidelse finder sted, når et stof udvides i volumen, når det vinder varme. Termisk sammentrækning findes også.
• Ledning er, når varmen strømmer gennem et opvarmet fast stof.
• Konvektion er, når opvarmede partikler overfører varme til et andet stof, såsom at tilberede noget i kogende vand.
• Stråling er når varme overføres gennem elektromagnetiske bølger, f.eks. fra solen.
• Isolering er, når et lavledende materiale bruges til at forhindre varmeoverførsel.

Et system gennemgår en termodynamisk proces når der er en slags energisk ændring i systemet, generelt forbundet med ændringer i tryk, volumen, intern energi (dvs. temperatur) eller enhver form for varmeoverførsel.

Der er flere specifikke typer termodynamiske processer, der har særlige egenskaber:

• Adiabatisk proces - en proces uden varmeoverførsel ind eller ud af systemet.
• Isokorisk proces - en proces uden ændring i volumen, i hvilket tilfælde systemet ikke fungerer.
• Isobarisk proces - en proces uden ændring i pres.
• Isotermisk proces - en proces uden temperaturændring.

En tilstand af stof er en beskrivelse af den type fysiske struktur, som et materielt stof manifesterer, med egenskaber, der beskriver, hvordan materialet holder sammen (eller ikke). Der er fem sager om sagen, selvom kun de første tre af dem normalt er inkluderet i den måde, vi tænker på sager:

• gas
• væske
• solid
• plasma
• overflødig (såsom en Bose-Einstein kondensat)

Mange stoffer kan skifte mellem gas, væske og fast fase af stof, mens det kun er kendt at få sjældne stoffer er i stand til at komme ind i en overflødig tilstand. Plasma er en særskilt stofstilstand, såsom lyn

• kondensation - gas til væske
• frysning - væske til fast stof
• smeltning - fast til væske
• sublimering - fast til gas
• fordampning - flydende eller fast til gas

Varmekapaciteten, C, af et objekt er forholdet mellem ændring i varme (energiændring, ΔQ, hvor det græske symbol Delta, Δ, angiver en ændring i mængden) for ændring i temperatur (ΔT).

C = Δ Q / Δ T

Stoffets varmekapacitet indikerer, hvor let et stof opvarmes. EN god termisk leder ville have en lav varmekapacitet, hvilket indikerer, at en lille mængde energi forårsager en stor temperaturændring. En god varmeisolator ville have en stor varmekapacitet, hvilket indikerer, at der er behov for meget energioverførsel til en temperaturændring.

Der er forskellige ideelle gasligninger som vedrører temperatur (T₁), tryk (P₁) og volumen (V₁). Disse værdier efter en termodynamisk ændring er angivet med (T₂), (P₂) og (V₂). For en given mængde af et stof, n (målt i mol), er følgende forhold:

Boyle's Law ( T er konstant):
P₁V₁ = P₂V₂
Charles / Gay-Lussac lov (P er konstant):
V₁/T₁ = V₂/T₂
Ideel gaslov:
P₁V₁/T₁ = P₂V₂/T₂ = nR

R er ideel gas konstant, R = 8,3145 J / mol * K. For en given mængde stof derfor nR er konstant, hvilket giver den ideelle gaslov.

• Zeroeth lov for termodynamik - To systemer hver i termisk ligevægt med et tredje system er i termisk ligevægt med hinanden.
• Første lov om termodynamik - Ændringen i et systems energi er den mængde energi, der tilføjes systemet minus den energi, der er brugt på arbejde.
• Anden lov om termodynamik - Det er umuligt for en proces at have det eneste resultat at overføre varme fra et køligere legeme til et varmere.
• Tredje lov om termodynamik - Det er umuligt at reducere noget system til absolut nul i en endelig række operationer. Dette betyder, at der ikke kan oprettes en perfekt effektiv varmemotor.

Den anden lov om termodynamik kan tilpasses for at tale om entropi, som er en kvantitativ måling af forstyrrelsen i et system. Ændringen i varme divideret med absolut temperatur er entropi ændring af processen. Defineret på denne måde kan den anden lov ændres som:

I ethvert lukket system vil systemets entropi enten forblive konstant eller stige.

Ved "lukket system" det betyder at hver en del af processen er inkluderet, når man beregner systemets entropi.

På nogle måder er det vildledende at behandle termodynamik som en distinkt disciplin af fysik. Termodynamik berører stort set alle fysiske områder, fra astrofysik til biofysik, fordi de alle på en eller anden måde beskæftiger sig med energiforandringen i et system. Uden et systems evne til at bruge energi i systemet til at udføre arbejde - hjertet i termodynamik - ville der ikke være noget for fysikere at studere.

Når det er sagt, er der nogle felter, der anvender termodynamik i forbifarten, når de handler om at studere andre fænomener, mens der er en lang række felter, der fokuserer stærkt på de termodynamiske situationer involveret. Her er nogle af termodynamikens underområder:

• Kryofysik / Kryogenik / Fysik ved lav temperatur - undersøgelsen af fysiske egenskaber i situationer med lav temperatur, langt under temperaturer, der opleves i selv de koldeste områder på Jorden. Et eksempel på dette er undersøgelsen af ​​superfluider.
• Fluid Dynamics / Fluid Mechanics - undersøgelsen af ​​de fysiske egenskaber ved "væsker", der specifikt er defineret i dette tilfælde som væsker og gasser.
• Fysik med højt tryk - det studier af fysik i ekstremt højtrykssystemer, generelt relateret til væskedynamik.
• Meteorologi / Vejrfysik - fysik i vejret, trykksystemer i atmosfæren osv.
• Plasmafysik - undersøgelse af stof i plasma-tilstand.