Преглед на термодинамиката и основни понятия

Термодинамиката е област на физиката който се занимава с връзката между топлина и други свойства (като например налягане, плътност, температураи др.) в вещество.

По-конкретно, термодинамиката се фокусира до голяма степен върху това как пренос на топлина е свързан с различни енергийни промени във физическа система, подложени на термодинамичен процес. Такива процеси обикновено водят до работа се извършва от системата и се ръководи от закони на термодинамиката.

Основни понятия за пренос на топлина

Най-общо казано, топлината на материала се разбира като представяне на енергията, съдържаща се в частиците на този материал. Това е известно като кинетична теория на газовете, въпреки че концепцията се прилага в различна степен и за твърди вещества и течности. Топлината от движението на тези частици може да се прехвърли в близките частици и следователно в други части на материала или други материали чрез различни средства:

  • Топлинен контакт е, когато две вещества могат да повлияят взаимно на температурата.
  • Топлинно равновесие е когато две вещества в термичен контакт вече не предават топлина.
  • Термично разширение се случва, когато веществото се разширява по обем, тъй като получава топлина. Съществува и термично свиване.
  • проводимост е, когато топлината тече през нагрято твърдо вещество.
  • конвекция е, когато нагретите частици прехвърлят топлина към друго вещество, като готвене на нещо във вряща вода.
  • радиация е, когато топлината се предава чрез електромагнитни вълни, например от слънцето.
  • изолация е, когато се използва нископроводящ материал за предотвратяване на пренос на топлина.

Термодинамични процеси

Системата се подлага на термодинамичен процес когато има някаква енергийна промяна в системата, обикновено свързана с промени в налягането, обема, вътрешната енергия (т.е. температура) или какъвто и да е вид пренос на топлина.

Има няколко специфични типа термодинамични процеси, които имат специални свойства:

  • Адиабатен процес - процес без топлопредаване в или извън системата.
  • Изохорен процес - процес без промяна в обема, в този случай системата не работи.
  • Изобаричен процес - процес без промяна в налягането.
  • Изотермичен процес - процес без промяна в температурата.

Състояния на материята

Състояние на материята е описание на типа физическа структура, която проявява материално вещество, със свойства, които описват как материалът се държи заедно (или не). Има пет състояния на материята, макар че само първите три от тях обикновено са включени в начина, по който мислим за материални състояния:

  • газ
  • течност
  • твърд
  • плазма
  • свръхтечно (като а Кондензат Бозе-Айнщайн)

Много вещества могат да преминават между газовите, течните и твърдите фази на материята, докато само няколко редки вещества са известни, че могат да влязат в свръхтечно състояние. Плазмата е ясно състояние на материята, като например мълния

  • кондензация - газ до течност
  • замръзване - течно до твърдо
  • топене - твърдо до течно
  • сублимация - твърди на газ
  • изпаряване - течен или твърд до газ

Топлинен капацитет

Топлоемкостта, ° С, на обект е съотношението на промяна в топлината (промяна на енергията, ΔQ, където гръцкият символ Delta, Δ, обозначава промяна в количеството) до промяна на температурата (ΔT).

° С = Δ Q / Δ T

Топлинният капацитет на веществото показва лекотата, с която дадено вещество се загрява. А добър термичен проводник ще има ниска топлинна мощност, което показва, че малко количество енергия причинява голяма промяна в температурата. Добрият топлоизолатор би имал голям топлинен капацитет, което показва, че е необходим много трансфер на енергия за промяна на температурата.

Идеални газови уравнения

Има различни идеални газови уравнения които се отнасят за температурата (T1), налягане (P1) и обем (V1). Тези стойности след термодинамична промяна се обозначават с (T2), (P2), и (V2). За дадено количество вещество, н (измерва се в бенки), имат отношение следните отношения:

Законът на Бойл ( T е постоянно):
P1V1 = P2V2
Закон Чарлз / Гей-Лусак (P е постоянно):
V1/T1 = V2/T2
Закон за идеалния газ:
P1V1/T1 = P2V2/T2 = NR

R е идеална постоянна газ, R = 8,3145 J / mol * K. Следователно за дадено количество материя, NR е константа, което дава Закона за идеалния газ.

Закони на термодинамиката

  • Нулевият закон на термодинамиката - Две системи в термично равновесие с трета система са в термично равновесие една към друга.
  • Първи закон на термодинамиката - Промяната в енергията на една система е количеството добавена енергия към системата, минус енергията, изразходвана за работа.
  • Втори закон на термодинамиката - Невъзможно е един процес да има като единствен резултат прехвърлянето на топлина от по-хладно тяло към по-горещо.
  • Трети закон на термодинамиката - Невъзможно е да се намали никоя система до абсолютна нула в ограничена серия от операции. Това означава, че не може да бъде създаден перфектно ефективен топлинен двигател.

Вторият закон и ентропия

Вторият закон на термодинамиката може да бъде възстановен, за да се говори ентропия, което е количествено измерване на разстройството в система. Промяната в топлината, разделена на абсолютна температура е ентропийна промяна от процеса. Дефиниран по този начин, Вторият закон може да бъде рестартиран като:

Във всяка затворена система ентропията на системата или ще остане постоянна, или ще се увеличи.

От "затворена система" означава, че всеки част от процеса се включва при изчисляване на ентропията на системата.

Повече за термодинамиката

По някакъв начин третирането на термодинамиката като отделна дисциплина на физиката е подвеждащо. Термодинамиката засяга почти всяка област на физиката, от астрофизика до биофизика, защото всички те се занимават по някакъв начин с промяната на енергията в една система. Без способността на системата да използва енергия в системата, за да върши работа - сърцето на термодинамиката - физиците нямаше да учат.

Имайки предвид, че някои области използват термодинамиката в миналото, докато те изучават други явления, докато има широк спектър от области, които се фокусират силно върху ситуациите на термодинамиката участващи. Ето някои от подполетата на термодинамиката:

  • Криофизика / Криогеника / Физика с ниски температури - проучването на физически свойства в ситуации с ниска температура, далеч под температури, срещани дори в най-студените райони на Земята. Пример за това е изследването на свръхтечности.
  • Динамика на течностите / Механика на течностите - изследване на физичните свойства на "течностите", специално определени в този случай, за да бъдат течности и газове.
  • Физика на високо налягане - на изучаване на физика в системи с изключително високо налягане, обикновено свързани с динамиката на течността.
  • Метеорология / Физика на времето - физиката на времето, системите за налягане в атмосферата и др.
  • Физика на плазмата - изследване на материята в плазмено състояние.