Termodynamikk oversikt og grunnleggende konsepter

Termodynamikk er fysikkfeltet som omhandler forholdet mellom varme og andre egenskaper (som f.eks press, tetthet, temperaturosv.) i et stoff.

Spesielt fokuserer termodynamikk i stor grad på hvordan a varmeoverføring er relatert til forskjellige energiforandringer i et fysisk system som gjennomgår en termodynamisk prosess. Slike prosesser resulterer vanligvis i arbeid gjøres av systemet og ledes av lover for termodynamikk.

Grovt sett forstås varmen fra et materiale som en representasjon av energien som er inne i partiklene i det materialet. Dette er kjent som kinetisk teori om gasser, selv om konseptet også i ulik grad gjelder faste stoffer og væsker. Varmen fra bevegelsen til disse partiklene kan overføres til partikler i nærheten, og derfor til andre deler av materialet eller andre materialer, på en rekke måter:

• Termisk kontakt er når to stoffer kan påvirke hverandres temperatur.
• Termisk likevekt er når to stoffer i termisk kontakt ikke lenger overfører varme.
instagram viewer
• Termisk ekspansjon finner sted når et stoff ekspanderer i volum når det får varme. Termisk sammentrekning eksisterer også.
• conduction er når varmen strømmer gjennom et oppvarmet faststoff.
• konveksjon er når oppvarmede partikler overfører varme til et annet stoff, for eksempel å koke noe i kokende vann.
• Stråling er når varme overføres gjennom elektromagnetiske bølger, for eksempel fra solen.
• Isolasjon er når et lite ledende materiale brukes for å forhindre varmeoverføring.

Et system gjennomgår en termodynamisk prosess når det er en slags energiforandring i systemet, generelt assosiert med endringer i trykk, volum, indre energi (dvs. temperatur), eller noen form for varmeoverføring.

Det er flere spesifikke typer termodynamiske prosesser som har spesielle egenskaper:

• Adiabatisk prosess - en prosess uten varmeoverføring til eller ut av systemet.
• Isokorisk prosess - en prosess uten volumendring, i hvilket tilfelle systemet ikke fungerer.
• Isobarisk prosess - en prosess uten trykkendring.
• Isotermisk prosess - en prosess uten temperaturendring.

En sakstilstand er en beskrivelse av den type fysiske struktur som et materiale stoff manifesterer, med egenskaper som beskriver hvordan materialet holder sammen (eller ikke). Det er fem tingenes tilstand, selv om bare de tre første av dem vanligvis er inkludert i måten vi tenker på sakstilstander:

• gass
• væske
• fast
• plasma
• overflødig (for eksempel a Bose-Einstein kondensat)

Mange stoffer kan gå over mellom gass-, væske- og faststofffasen, mens bare noen få sjeldne stoffer er kjent for å kunne gå over i overflødig tilstand. Plasma er en tydelig tilstandstilstand, for eksempel lyn

• kondensasjon - gass til væske
• frysing - væske til fast stoff
• smelting - fast til væske
• sublime - fast til gass
• fordamping - flytende eller fast til gass

Varmekapasiteten, C, av et objekt er forholdet mellom endring i varme (energibytte, ΔQ, der det greske symbolet Delta, Δ, angir en endring i mengde) for å endre temperatur (ΔT).

C = Δ Q / Δ T

Stoffets varmekapasitet indikerer hvor enkelt stoffet varmes opp. EN god termisk leder ville ha en lav varmekapasitet, som indikerer at en liten mengde energi forårsaker en stor temperaturendring. En god varmeisolator ville ha en stor varmekapasitet, noe som indikerer at mye energioverføring er nødvendig for en temperaturendring.

Det er forskjellige ideelle gasslikninger som angår temperatur (T₁), press (P₁) og volum (V₁). Disse verdiene etter en termodynamisk endring er indikert med (T₂), (P₂), og (V₂). For en gitt mengde av et stoff, 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
Ideell gasslov:
P₁V₁/T₁ = P₂V₂/T₂ = nR

R er den ideell gasskonstant, R = 8,3145 J / mol * K. For en gitt mengde materie, derfor nR er konstant, noe som gir den ideelle gassloven.

• Zeroeth Law of Thermodynamics - To systemer hver i termisk likevekt med et tredje system er i termisk likevekt til hverandre.
• Første lov om termodynamikk - Endringen i energien til et system er mengden energi som er lagt til systemet minus energien som brukes på arbeid.
• Andre lov om termodynamikk - Det er umulig for en prosess å ha som eneste resultat overføring av varme fra et kjøligere legeme til et varmere.
• Tredje lov om termodynamikk - Det er umulig å redusere noe system til absolutt null i en begrenset serie av operasjoner. Dette betyr at det ikke kan lages en perfekt effektiv varmemotor.

Den andre loven om termodynamikk kan omarbeides for å snakke om entropi, som er en kvantitativ måling av lidelsen i et system. Endringen i varme delt med absolutt temperatur er den endropiendring av prosessen. Definert på denne måten kan den andre loven omarbeides som:

I ethvert lukket system vil systemets entropi enten forbli konstant eller øke.

Av "lukket system" det betyr at hver en del av prosessen er inkludert når du beregner entropien til systemet.

På noen måter er det villedende å behandle termodynamikk som en distinkt fysikkdisiplin. Termodynamikk berører praktisk talt alle fysikkfelt, fra astrofysikk til biofysikk, fordi de alle på en eller annen måte arbeider med energibytte i et system. Uten et systems evne til å bruke energi i systemet til å utføre arbeid - hjertet i termodynamikk - ville det ikke være noe for fysikere å studere.

Når det er sagt, er det noen felt som bruker termodynamikk i forbifarten når de studerer andre fenomener, mens det er et bredt spekter av felt som fokuserer stort på termodynamiske situasjoner involvert. Her er noen av underfeltene til termodynamikk:

• Kryofysikk / Kryogenikk / Lavtemperaturfysikk - studiet av fysiske egenskaper i situasjoner med lav temperatur, langt under temperaturer som oppleves i selv de kaldeste områdene på jorden. Et eksempel på dette er studiet av overfluider.
• Fluid Dynamics / Fluid Mechanics - studiet av de fysiske egenskapene til "væsker", spesifikt definert i dette tilfellet som væsker og gasser.
• Fysikk med høyt trykk - den studier av fysikk i ekstremt høyttrykkssystemer, generelt relatert til væskedynamikk.
• Meteorologi / værfysikk - fysikk i været, trykksystemer i atmosfæren, etc.
• Plasmafysikk - studiet av materie i plasma-tilstand.