Přehled termodynamiky a základní pojmy

Termodynamika je obor fyzika který se zabývá vztahem mezi teplo a další vlastnosti (například tlak, hustota, teplotaatd.) v látce.

Konkrétně se termodynamika zaměřuje převážně na to, jak a přenos tepla se vztahuje k různým změnám energie ve fyzickém systému podstupujícím termodynamický proces. Takové procesy obvykle vedou k práce provádí systém a řídí se termodynamické zákony.

Základní pojmy přenosu tepla

Obecně řečeno, teplom materiálu se rozumí představování energie obsažené v částicích tohoto materiálu. Toto je známé jako kinetická teorie plynů, ačkoli tento koncept se v různé míře vztahuje i na pevné látky a kapaliny. Teplo z pohybu těchto částic se může přenášet na blízké částice, a tedy do jiných částí materiálu nebo jiných materiálů, různými způsoby:

  • Tepelný kontakt je, když dvě látky mohou ovlivnit teplotu druhé.
  • Tepelná rovnováha je, když dvě látky v tepelném kontaktu přestanou přenášet teplo.
  • Teplotní roztažnost dochází, když látka expanduje v objemu, když získává teplo. Existuje také tepelná kontrakce.
  • Vedení je, když teplo protéká zahřátou pevnou látkou.
  • Proudění je, když zahřáté částice přenášejí teplo na jinou látku, jako je například vaření něco ve vroucí vodě.
  • Záření je, když je teplo přenášeno elektromagnetickými vlnami, například ze slunce.
  • Izolace je, když se používá nízko vodivý materiál k zabránění přenosu tepla.

Termodynamické procesy

Systém prochází a termodynamický proces když v systému existuje nějaká energetická změna, obvykle spojená se změnami tlaku, objemu, vnitřní energie (tj. teploty) nebo jakýmkoli druhem přenosu tepla.

Existuje několik specifických typů termodynamických procesů, které mají speciální vlastnosti:

  • Adiabatický proces - proces bez přenosu tepla do nebo ze systému.
  • Isochoric proces - proces beze změny objemu, kdy systém nefunguje.
  • Izobarický proces - proces beze změny tlaku.
  • Izotermický proces - proces bez změny teploty.

Státy hmoty

Stav hmoty je popis typu fyzické struktury, kterou hmotná látka projevuje, s vlastnostmi, které popisují, jak materiál drží pohromadě (nebo ne). Je jich pět stavy hmoty, ačkoli pouze první tři z nich jsou obvykle zahrnuty do způsobu, jakým přemýšlíme o stavech hmoty:

  • plyn
  • kapalný
  • pevný
  • plazma
  • superfluid (jako a Kondenzát Bose-Einstein)

Mnoho látek může přecházet mezi plynnou, kapalnou a pevnou fází hmoty, zatímco jen málo vzácných látek je známo, že jsou schopny vstoupit do superfluidního stavu. Plazma je zřetelný stav hmoty, jako je blesk

  • kondenzace - plyn na kapalinu
  • zmrazení - kapalina až pevná látka
  • tání - pevná látka na kapalinu
  • sublimace - pevná látka na plyn
  • odpařování - kapalina nebo pevná látka na plyn

Tepelná kapacita

Tepelná kapacita, C, objektu je poměr změny tepla (změna energie, ΔQ, kde řecký symbol Delta, A označuje změnu v množství) ke změně teploty (A)T).

C = Δ Q / Δ T

Tepelná kapacita látky označuje snadnost, s jakou se látka zahřívá. A dobrý tepelný vodič bude mít nízká tepelná kapacita, což naznačuje, že malé množství energie způsobuje velkou změnu teploty. Dobrý tepelný izolátor by měl velkou tepelnou kapacitu, což naznačuje, že pro změnu teploty je potřebný velký přenos energie.

Ideální plynové rovnice

Existuje několik ideální plynové rovnice které se týkají teploty (T1), tlak (P1) a objem (PROTI1). Tyto hodnoty po termodynamické změně jsou označeny (T2), (P2), a (PROTI2). Pro dané množství látky n (měřeno v molech) platí následující vztahy:

Boyleův zákon ( T je konstantní):
P1PROTI1 = P2PROTI2
Charles / Gay-Lussacův zákon (P je konstantní):
PROTI1/T1 = PROTI2/T2
Zákon o ideálním plynu:
P1PROTI1/T1 = P2PROTI2/T2 = nR

R je ideální plynová konstanta, R = 8,3145 J / mol * K. Pro dané množství hmoty proto nR je konstantní, což dává zákon o ideálním plynu.

Termodynamické zákony

  • Zeroethův zákon termodynamiky - Dva systémy, každý v tepelné rovnováze se třetím systémem, jsou ve vzájemné tepelné rovnováze.
  • První zákon termodynamiky - Změna energie systému je množství energie přidané do systému mínus energie vynaložená na práci.
  • Druhý termodynamický zákon - Je nemožné, aby proces vedl pouze k přenosu tepla z chladnějšího tělesa na teplejší.
  • Třetí termodynamický zákon - Je nemožné redukovat jakýkoli systém na absolutní nulu v konečné sérii operací. To znamená, že nelze vytvořit dokonale účinný tepelný motor.

Druhý zákon a entropie

O druhém termodynamickém zákonu lze hovořit znovu entropie, což je kvantitativní měření poruchy v systému. Změna tepla dělená absolutní teplota je entropická změna procesu. Takto definovaný, druhý zákon může být přepracován takto:

V kterémkoli uzavřeném systému entropie systému buď zůstane konstantní, nebo se zvýší.

Autorem „uzavřený systém" Znamená to, že každý část procesu je zahrnuta při výpočtu entropie systému.

Více o termodynamice

V některých ohledech je považování termodynamiky za samostatnou disciplínu fyziky zavádějící. Termodynamika se dotýká prakticky každé oblasti fyziky, od astrofyziky po biofyziku, protože všichni se nějakým způsobem zabývají změnou energie v systému. Bez schopnosti systému využívat energii v systému k práci - srdce termodynamiky - by fyzici nemohli studovat.

Jak již bylo řečeno, existují některá pole, která používají termodynamiku při předávání, když se chystají studovat jiné jevy, zatímco existuje celá řada polí, která se silně zaměřují na termodynamické situace zapojen. Zde jsou některá dílčí pole termodynamiky:

  • Kryofyzika / kryogenika / nízkoteplotní fyzika - studium fyzikální vlastnosti v nízkých teplotách, hluboko pod teplotami zažívanými i v nejchladnějších oblastech Země. Příkladem toho je studium superfluidů.
  • Dynamika tekutin / mechanika tekutin - studium fyzikálních vlastností „tekutin“, které jsou v tomto případě konkrétně definovány jako kapaliny a plyny.
  • Fyzika vysokého tlaku - studium fyziky v systémech s extrémně vysokým tlakem, obecně souvisejících s dynamikou tekutin.
  • Meteorologie / fyzika počasí - fyzika počasí, tlakové systémy v atmosféře atd.
  • Fyzika plazmatu - studium hmoty v plazmatickém stavu.