Pregled termodinamike in osnovni pojmi

Termodinamika je področje fizike ki obravnava odnos med toplota in druge lastnosti (npr pritisk, gostota, temperaturaitd.) v snovi.

Termodinamika se predvsem osredotoča na to, kako prenos toplote je povezan z različnimi spremembami energije v fizičnem sistemu, ki je pod termodinamičnim procesom. Takšni procesi običajno povzročijo delati opravi sistem in ga vodi zakoni termodinamike.

Na splošno velja, da se toplota materiala razume kot predstavitev energije, ki jo vsebujejo delci tega materiala. To je znano kot kinetična teorija plinov, čeprav se koncept v različni meri uporablja tudi za trdne snovi in ​​tekočine. Toplota zaradi gibanja teh delcev se lahko z različnimi sredstvi prenaša v bližnje delce in s tem v druge dele materiala ali druge materiale:

• Toplotni stik je, kadar lahko dve snovi vplivata na medsebojno temperaturo.
• Toplotno ravnovesje je, ko dve snovi v toplotnem stiku ne preneseta več toplote.
• Toplotno raztezanje nastane, ko se snov poveča, ko se pridobiva toploto. Obstaja tudi toplotno krčenje.
instagram viewer
• Izvajanje je, ko toplota teče skozi segreto trdno snov.
• Konvekcija je, ko segreti delci prenašajo toploto na drugo snov, kot je kuhanje nečesa v vreli vodi.
• Sevanje je, ko se toplota prenaša z elektromagnetnimi valovi, na primer s sonca.
• Izolacija je, kadar se za preprečevanje prenosa toplote uporablja nizko prevodni material.

Sistem je podvržen a termodinamični proces kadar je znotraj sistema nekakšna energijska sprememba, ki je na splošno povezana s spremembami tlaka, volumna, notranje energije (tj. temperature) ali kakršnim koli prenosom toplote.

Obstaja več posebnih vrst termodinamičnih procesov, ki imajo posebne lastnosti:

• Adiabatni postopek - postopek brez prenosa toplote v sistem ali iz njega.
• Izohorični postopek - postopek brez spremembe obsega, v tem primeru sistem ne deluje.
• Izobarični postopek - postopek brez spremembe tlaka.
• Izotermalni postopek - postopek brez spremembe temperature.

Snovno stanje je opis vrste fizične strukture, ki se manifestira snovno snovjo, z lastnostmi, ki opisujejo, kako material drži skupaj (ali ne). Pet jih je stanja materije, čeprav so le prvi trije običajno vključeni v način razmišljanja o stanju snovi:

• plina
• tekoč
• trdna
• plazma
• odvečna tekočina (npr. a Kondenzat Bose-Einstein)

Mnoge snovi lahko prehajajo med plinsko, tekočo in trdno fazo snovi, medtem ko je znano, da le nekaj redkih snovi lahko vstopi v nadčloveško stanje. Plazma je izrazito stanje snovi, kot so strele

• kondenzacija - plin v tekočino
• zmrzovanje - tekoča do trdna
• taljenje - trdno do tekoče
• sublimacija - trdna v plin
• uparjanje - tekoče ali trdno do plina

Toplotna zmogljivost, C, predmeta je razmerje med spremembo toplote (sprememba energije, ΔV, kjer grški simbol Delta, Δ, pomeni spremembo količine) do spremembe temperature (ΔT).

C = Δ V / Δ T

Toplotna sposobnost snovi kaže na enostavnost, s katero se snov segreva. A dober toplotni prevodnik bi imel a nizka toplotna zmogljivost, kar kaže, da majhna količina energije povzroči veliko spremembo temperature. Dober toplotni izolator bi imel veliko toplotno kapaciteto, kar kaže na to, da je za spremembo temperature potrebno veliko prenosa energije.

Obstajajo različne enačbe idealnega plina ki se nanašajo na temperaturo (T₁), pritisk (P₁) in prostornina (V₁). Te vrednosti po termodinamični spremembi so označene z (T₂), (P₂) in (V₂). Za določeno količino snovi n (merjeno v molih) veljajo naslednja razmerja:

Boylov zakon ( T konstantno):
P₁V₁ = P₂V₂
Charles / Gay-Lussac zakon (P konstantno):
V₁/T₁ = V₂/T₂
Zakon o idealnem plinu:
P₁V₁/T₁ = P₂V₂/T₂ = nR

R ali je idealna konstanta plina, R = 8,3145 J / mol * K. Za določeno količino snovi torej nR je konstanta, kar daje zakon o idealnem plinu.

• Zeroetov zakon termodinamike - Dva sistema v toplotnem ravnovesju s tretjim sistemom sta med seboj v toplotnem ravnovesju.
• Prvi zakon termodinamike - Sprememba energije sistema je količina dodane energije v sistem, zmanjšana za energijo, porabljeno za delo.
• Drugi zakon termodinamike - Nemogoče je, da bi bil edini rezultat procesa prenos toplote s hladnejšega na bolj vroče telo.
• Tretji zakon termodinamike - V končnem nizu operacij ni mogoče zmanjšati nobenega sistema na absolutno ničlo. To pomeni, da ni mogoče ustvariti popolnoma učinkovitega toplotnega motorja.

O drugem zakonu termodinamike je mogoče ponovno govoriti entropija, ki je količinsko merjenje motnje v sistemu. Sprememba toplote, deljena s absolutna temperatura ali je entropija sprememba procesa. Opredeljen na ta način, lahko drugi zakon ponovno postavimo kot:

V katerem koli zaprtem sistemu bo entropija sistema bodisi ostala konstantna bodisi povečana.

Avtor "zaprt sistem"to pomeni, da vsak del postopka je vključen pri izračunu entropije sistema.

Na nek način je obravnavanje termodinamike kot izrazite discipline fizike zavajajoče. Termodinamika se dotika skoraj vsakega področja fizike, od astrofizike do biofizike, saj se vsi na nek način ukvarjajo s spremembo energije v sistemu. Brez zmožnosti sistema, da bi znotraj sistema uporabljal energijo za opravljanje dela - srce termodinamike -, fiziki ne bi mogli ničesar študirati.

Če rečem, nekatera področja uporabljajo termodinamiko mimogrede, ko se ukvarjajo s preučevanjem drugih pojavov, medtem ko obstaja široko paleto področij, ki se močno osredotočajo na termodinamične situacije vpleten. Tu je nekaj podpolja termodinamike:

• Kriofizika / kriogenika / fizika nizkih temperatur - študijo o fizične lastnosti v situacijah z nizko temperaturo, daleč pod temperaturami, ki so jih imeli celo na najhladnejših območjih Zemlje. Primer tega je študija presežnih tekočin.
• Dinamika tekočin / Mehanika tekočin - preučevanje fizikalnih lastnosti "tekočin", ki so v tem primeru posebej opredeljene kot tekočine in plini.
• Fizika visokega tlaka - the študij fizike v izjemno visokotlačnih sistemih, na splošno povezanih z dinamiko tekočin.
• Meteorologija / vremenska fizika - fizika vremena, tlačni sistemi v ozračju itd.
• Fizika plazme - preučevanje snovi v stanju plazme.