Termodinamikos apžvalga

Šilumos fizika

Šildomas metalinis strypas. Dave'as Kingas / Getty Images

Termodinamika yra fizikos sritis kuri nagrinėja santykius tarp karštis ir kitos savybės (pvz spaudimas , tankis ,temperatūrosir pan.) medžiagoje.

Konkrečiai, termodinamika daugiausia dėmesio skiria tai, kaip a šilumos perdavimas yra susijęs su įvairiais energijos pokyčiais fizinėje sistemoje, kurioje vyksta termodinaminis procesas. Tokie procesai paprastai baigiasi dirbti atlieka sistema ir vadovaujasi termodinamikos dėsniai .

Pagrindinės šilumos perdavimo sąvokos

Apskritai, medžiagos šiluma suprantama kaip energijos, esančios tos medžiagos dalelėse, vaizdavimas. Tai žinoma kaip kinetinė dujų teorija , nors ši sąvoka skirtingu mastu taikoma ir kietoms medžiagoms, ir skysčiams. Šių dalelių judėjimo šiluma įvairiomis priemonėmis gali pereiti į netoliese esančias daleles, taigi ir į kitas medžiagos dalis ar kitas medžiagas:

• Terminis kontaktas yra tada, kai dvi medžiagos gali paveikti viena kitos temperatūrą.
• Šiluminė pusiausvyra yra tada, kai dvi šiluminio kontakto medžiagos nebeperduoda šilumos.
• Šiluminis plėtimasis įvyksta, kai medžiaga plečiasi įgydama šilumą. Taip pat yra terminis susitraukimas.
• Laidumas yra kai šiluma teka per įkaitintą kietą medžiagą.
• Konvekcija yra tada, kai įkaitintos dalelės perduoda šilumą kitai medžiagai, pavyzdžiui, ką nors verdančiame vandenyje.
• Radiacija yra tada, kai šiluma perduodama per elektromagnetines bangas, pavyzdžiui, iš saulės.
• Izoliacija yra tada, kai naudojama mažai laidi medžiaga, kad būtų išvengta šilumos perdavimo.

Termodinaminiai procesai

Sistema patiria a termodinaminis procesas kai sistemoje vyksta tam tikri energetiniai pokyčiai, paprastai susiję su slėgio, tūrio, vidinės energijos (t. y. temperatūros) pokyčiais arba bet kokiu šilumos perdavimu.

Yra keletas specifinių termodinaminių procesų tipų, kurie turi ypatingų savybių:

• Adiabatinis procesas - procesas be šilumos perdavimo į sistemą arba iš jos.
• Izochorinis procesas - procesas, kurio apimtis nesikeičia, tokiu atveju sistema neveikia.
• Izobarinis procesas - procesas be slėgio pokyčių.
• Izoterminis procesas - procesas be temperatūros pokyčių.

Materijos būsenos

Medžiagos būsena yra fizinės struktūros, kurią pasireiškia materiali medžiaga, tipo aprašymas, turintis savybių, nusakančių, kaip medžiaga laikosi kartu (arba ne). Yra penkios materijos būsenos , nors tik pirmieji trys iš jų paprastai įtraukiami į tai, kaip mes galvojame apie materijos būsenas:

• dujų
• skystis
• kietas
• plazma
• superskystis (pvz., a Bose-Einšteino kondensatas )

Daugelis medžiagų gali pereiti iš dujinės, skystosios ir kietosios medžiagos fazių, o žinomos tik kelios retos medžiagos, galinčios patekti į superskystį. Plazma yra atskira materijos būsena, tokia kaip žaibas

• kondensacija - dujos į skystį
• užšalimas – skystas į kietą
• lydymas - kietas į skystą
• sublimacija - kietas iki dujinis
• garinimas - skystas arba kietas į dujas

Šilumos talpa

Šilumos talpa, C , objekto yra šilumos pokyčio santykis (energijos pokytis, Δ K , kur graikiškas simbolis Delta, Δ, reiškia kiekio pokytį) iki temperatūros pokyčio (Δ T ).

C = D K / D T

Medžiagos šiluminė talpa rodo, kaip lengvai medžiaga įkaista. A geras šilumos laidininkas turėtų a maža šiluminė talpa , o tai rodo, kad mažas energijos kiekis sukelia didelį temperatūros pokytį. Geras šilumos izoliatorius turėtų didelę šiluminę galią, o tai rodo, kad norint pakeisti temperatūrą reikia daug energijos.

Idealios dujų lygtys

Yra įvairių idealiųjų dujų lygtis kurie susiję su temperatūra ( T ₁), slėgis ( P ₁), ir tūris ( IN ₁). Šios vertės po termodinaminių pokyčių žymimos ( T _du), ( P _du), ir ( IN _du). Tam tikram medžiagos kiekiui n (matuojama apgamais), galioja šie santykiai:

Boyle'o dėsnis ( T yra pastovus):
P ₁ IN ₁= P _du IN _du
Charles/Gay-Lussac įstatymas ( P yra pastovus):
IN ₁/ T ₁= IN _du/ T _du
Idealiųjų dujų įstatymas :
P ₁ IN ₁/ T ₁= P _du IN _du/ T _du= n

R yra ideali dujų konstanta , R = 8,3145 J/mol*K. Todėl tam tikram medžiagos kiekiui n yra pastovus, o tai suteikia Idealiųjų dujų dėsnį.

Termodinamikos dėsniai

• Nulinis termodinamikos dėsnis - Dvi sistemos, kurių kiekviena yra šiluminėje pusiausvyroje, su trečiąja sistema yra viena kitos šiluminėje pusiausvyroje.
• Pirmasis termodinamikos dėsnis - Sistemos energijos pokytis – tai energijos kiekis, pridedamas prie sistemos, atėmus darbui sunaudotą energiją.
• Antrasis termodinamikos dėsnis - Neįmanoma, kad proceso vienintelis rezultatas būtų šilumos perdavimas iš vėsesnio kūno į karštesnį.
• Trečiasis termodinamikos dėsnis - Neįmanoma jokios sistemos sumažinti iki absoliutaus nulio baigtinėje operacijų serijoje. Tai reiškia, kad neįmanoma sukurti tobulai efektyvaus šilumos variklio.

Antrasis dėsnis ir entropija

Antrasis termodinamikos dėsnis gali būti pakartotas entropija , kuris yra kiekybinis sutrikimo sistemoje matavimas. Šilumos pokytis padalytas iš absoliuti temperatūra yra entropijos pokytis proceso. Taip apibrėžus Antrąjį dėsnį galima pakartoti taip:

Bet kurioje uždaroje sistemoje sistemos entropija išliks pastovi arba padidės.

pagal ' uždara sistema ' tai reiškia kad kas dalis proceso įtraukiama skaičiuojant sistemos entropiją.

Daugiau apie termodinamiką

Tam tikra prasme termodinamikos traktavimas kaip atskira fizikos disciplina yra klaidinanti. Termodinamika paliečia beveik visas fizikos sritis, nuo astrofizikos iki biofizikos, nes visos jos tam tikru būdu yra susijusios su energijos kaita sistemoje. Jei sistema negalėtų panaudoti energijos sistemoje darbui – termodinamikos širdžiai – fizikai nebūtų ką tirti.

Tai buvo pasakyta, kai kuriose srityse termodinamika naudojama pro šalį, kai jos tyrinėja kitus reiškinius, tuo tarpu yra daugybė sričių, kuriose daug dėmesio skiriama susijusioms termodinamikos situacijoms. Štai keletas termodinamikos poskyrių:

Kriofizika / Kriogenika / Žemos temperatūros fizika- tyrimas fizines savybes esant žemai temperatūrai, daug žemesnei nei net šalčiausiuose Žemės regionuose. To pavyzdys yra superskysčių tyrimas. Skysčių dinamika / Skysčių mechanika- „skysčių“, šiuo atveju konkrečiai apibrėžtų kaip skysčiai ir dujos, fizinių savybių tyrimas. Aukšto slėgio fizika- fizikos studijos ypač aukšto slėgio sistemose, paprastai susijusiose su skysčių dinamika. Meteorologija / Orų fizika- orų fizika, slėgio sistemos atmosferoje ir kt. Plazmos fizika- medžiagos tyrimas plazmos būsenoje.