Przegląd termodynamiki i podstawowe pojęcia

Termodynamika jest dziedzina fizyki która dotyczy relacji między ciepło i inne właściwości (takie jak nacisk, gęstość, temperaturaitp.) w substancji.

W szczególności termodynamika koncentruje się głównie na tym, jak przenikanie ciepła jest związany z różnymi zmianami energii w układzie fizycznym poddawanym procesowi termodynamicznemu. Takie procesy zwykle skutkują praca wykonywane przez system i kierowane przez prawa termodynamiki.

Mówiąc ogólnie, ciepło materiału jest rozumiane jako reprezentacja energii zawartej w cząstkach tego materiału. Jest to znane jako kinetyczna teoria gazów, choć koncepcja ta w różnym stopniu dotyczy również ciał stałych i cieczy. Ciepło z ruchu tych cząstek może przenosić się do pobliskich cząstek, a zatem do innych części materiału lub innych materiałów, na różne sposoby:

• Kontakt termiczny ma miejsce, gdy dwie substancje mogą wpływać na temperaturę nawzajem.
• Równowaga termiczna ma miejsce, gdy dwie substancje w kontakcie termicznym nie przenoszą już ciepła.
instagram viewer
• Rozszerzalność termiczna ma miejsce, gdy substancja zwiększa objętość, gdy zyskuje ciepło. Istnieje również skurcz termiczny.
• Przewodzenie ma miejsce, gdy ciepło przepływa przez podgrzewane ciało stałe.
• Konwekcja ma miejsce, gdy ogrzane cząstki przenoszą ciepło na inną substancję, na przykład gotując coś we wrzącej wodzie.
• Promieniowanie ma miejsce, gdy ciepło jest przenoszone przez fale elektromagnetyczne, na przykład ze słońca.
• Izolacja ma miejsce, gdy stosuje się materiał o niskiej przewodności, aby zapobiec przenoszeniu ciepła.

System przechodzi a proces termodynamiczny gdy w systemie zachodzi jakaś zmiana energetyczna, zwykle związana ze zmianami ciśnienia, objętości, energii wewnętrznej (tj. temperatury) lub jakimkolwiek rodzajem wymiany ciepła.

Istnieje kilka określonych rodzajów procesów termodynamicznych, które mają specjalne właściwości:

• Proces adiabatyczny - proces bez wymiany ciepła do lub z systemu.
• Proces izochoryczny - proces bez zmiany głośności, w którym to przypadku system nie działa.
• Proces izobaryczny - proces bez zmian ciśnienia.
• Proces izotermiczny - proces bez zmian temperatury.

Stan materii to opis rodzaju struktury fizycznej, którą przejawia substancja materialna, wraz z właściwościami opisującymi, w jaki sposób materiał utrzymuje się razem (lub nie). Jest ich pięć Stany materii, chociaż tylko pierwsze trzy z nich są zwykle uwzględniane w naszym sposobie myślenia o stanach materii:

• gaz
• ciekły
• solidny
• osocze
• nadciekły (taki jak Kondensat Bosego-Einsteina)

Wiele substancji może przechodzić między fazą gazową, ciekłą i stałą materii, podczas gdy wiadomo, że tylko kilka rzadkich substancji może przejść w stan nadciekłości. Plazma to odrębny stan materii, taki jak błyskawica

• kondensacja - gaz do cieczy
• zamrażanie - ciecz do ciała stałego
• topienie - ciało stałe w ciecz
• sublimacja - ciało stałe w gaz
• waporyzacja - ciecz lub ciało stałe na gaz

Pojemność cieplna, do, obiektu jest stosunkiem zmiany ciepła (zmiana energii, ΔQ, gdzie grecki symbol Delta, Δ, oznacza zmianę ilości) zmiany temperatury (ΔT.).

do = Δ Q / Δ T.

Pojemność cieplna substancji wskazuje na łatwość nagrzewania się substancji. ZA dobry przewodnik cieplny miałby niska pojemność cieplna, wskazując, że niewielka ilość energii powoduje dużą zmianę temperatury. Dobry izolator termiczny miałby dużą pojemność cieplną, co wskazuje, że do zmiany temperatury potrzeba dużo transferu energii.

Są różne równania gazu doskonałego które odnoszą się do temperatury (T.₁), nacisk (P.₁) i objętość (V.₁). Wartości te po zmianie termodynamicznej są oznaczone przez (T.₂), (P.₂), i (V.₂). Dla danej ilości substancji n (mierzone w molach) zachodzą następujące zależności:

Prawo Boyle'a ( T. jest stała):
P.₁V.₁ = P.₂V.₂
Prawo Charlesa / Gay-Lussaca (P. jest stała):
V.₁/T.₁ = V.₂/T.₂
Prawo gazu doskonałego:
P.₁V.₁/T.₁ = P.₂V.₂/T.₂ = nR

R jest idealna stała gazowa, R = 8,3145 J / mol * K. Dlatego dla danej ilości materii nR jest stała, co daje prawo gazu doskonałego.

• Zeroeth Law of Thermodynamics - Dwa układy w równowadze termicznej z trzecim układem znajdują się w równowadze termicznej względem siebie.
• Pierwsza zasada termodynamiki - Zmiana energii systemu to ilość energii dodanej do systemu minus energia wydana na pracę.
• Druga zasada termodynamiki - Niemożliwe jest, aby proces miał jako jedyny skutek przeniesienie ciepła z chłodniejszego korpusu do cieplejszego.
• Trzecia zasada termodynamiki - Nie można sprowadzić żadnego systemu do zera absolutnego w skończonej serii operacji. Oznacza to, że nie można stworzyć idealnie wydajnego silnika cieplnego.

Druga zasada termodynamiki może zostać przekształcona w celu omówienia entropia, który jest ilościowym pomiarem zaburzenia w systemie. Zmiana ciepła podzielona przez temperatura absolutna jest zmiana entropii procesu. Tak zdefiniowane drugie prawo można przekształcić w następujący sposób:

W każdym systemie zamkniętym entropia systemu pozostanie stała lub wzrośnie.

Przez "zamknięty system" to znaczy, że każdy część procesu jest uwzględniana przy obliczaniu entropii systemu.

Pod pewnymi względami mylne jest traktowanie termodynamiki jako odrębnej dyscypliny fizyki. Termodynamika dotyka praktycznie każdej dziedziny fizyki, od astrofizyki po biofizykę, ponieważ wszystkie one w pewien sposób radzą sobie ze zmianą energii w układzie. Bez zdolności systemu do wykorzystywania energii w systemie do wykonywania pracy - w sercu termodynamiki - fizycy nie mieliby nic do nauki.

To powiedziawszy, niektóre dziedziny używają termodynamiki mimochodem, gdy zajmują się nauką innych zjawiska, podczas gdy istnieje szeroki zakres dziedzin, które silnie koncentrują się na sytuacjach termodynamicznych zaangażowany. Oto niektóre z podpól termodynamiki:

• Kriofizyka / Kriogenika / Fizyka niskotemperaturowa - nauka o właściwości fizyczne w niskich temperaturach, znacznie poniżej temperatur występujących nawet w najzimniejszych regionach Ziemi. Przykładem tego jest badanie nadciekłości.
• Dynamika płynów / mechanika płynów - badanie fizycznych właściwości „płynów”, szczególnie określonych w tym przypadku jako płyny i gazy.
• Fizyka wysokociśnieniowa - studiowanie fizyki w układach o bardzo wysokim ciśnieniu, ogólnie związanych z dynamiką płynów.
• Meteorologia / Fizyka pogody - fizyka pogody, systemy ciśnieniowe w atmosferze itp.
• Fizyka plazmy - badanie materii w stanie plazmy.