Termodinamički pregled i osnovni pojmovi

Termodinamika je ono polje fizike koji se bavi odnosima između toplina i druga svojstva (kao što su pritisak, gustoća, temperaturaitd.) u tvari.

Termodinamika se posebno usredotočuje na način a prijenos topline povezana je s raznim promjenama energije unutar fizičkog sustava koji prolaze termodinamički proces. Takvi procesi obično rezultiraju raditi se vrši u sustavu i vodi ih zakoni termodinamike.

U širem smislu, toplina materijala shvaća se kao prikaz energije sadržane u česticama tog materijala. To je poznato kao kinetička teorija plinova, iako se ovaj pojam u različitom stupnju odnosi i na krute tvari i tekućine. Toplina gibanja ovih čestica može se prenijeti u obližnje čestice, a samim tim i u druge dijelove ili druge materijale, na različite načine:

• Toplinski kontakt je kada dvije tvari mogu međusobno utjecati na temperaturu.
• Toplinska ravnoteža je kada dvije tvari u toplinskom kontaktu više ne prenose toplinu.
• Toplinsko širenje događa se kada se tvar širi u volumenu dok dobiva toplinu. Postoji i toplinska kontrakcija.
instagram viewer
• Kondukcija je kada toplina teče kroz zagrijanu krutinu.
• Konvekcija je kada zagrijane čestice prenose toplinu na drugu tvar, poput kuhanja nečega u kipućoj vodi.
• Radijacija je kada se toplina prenosi elektromagnetskim valovima, poput sunca.
• Izolacija je kada se koristi niskoprovodni materijal za sprečavanje prijenosa topline.

Sustav je podvrgnut a termodinamički proces kada postoji neka vrsta energetskih promjena unutar sustava, općenito povezana s promjenama tlaka, volumena, unutarnje energije (tj. temperature) ili bilo kojom vrstom prijenosa topline.

Postoji nekoliko specifičnih vrsta termodinamičkih procesa koji imaju posebna svojstva:

• Adiabatski proces - postupak bez prijenosa topline u ili van sustava.
• Izohorni proces - postupak bez promjene volumena, u kojem slučaju sustav ne radi.
• Izobarski proces - postupak bez promjene tlaka.
• Izotermalni proces - postupak bez promjene temperature.

Stanje materije je opis vrste fizičke građe koju manifestira materijalna tvar, sa svojstvima koja opisuju kako se materijal drži zajedno (ili ne). Ima ih pet stanja materije, iako su samo prva tri od njih obično uključena u način na koji razmišljamo o stanjima materije:

• plin
• tekući
• solidan
• plazma
• suvišna tekućina (kao što je Bose-Einstein kondenzat)

Mnoge tvari mogu prijeći između plinske, tekuće i čvrste faze materije, dok je samo nekoliko rijetkih tvari poznato da mogu ući u suvišno stanje. Plazma je posebno stanje materije, poput munje

• kondenzacija - plin u tekućinu
• smrzavanje - tekuće do čvrsto
• taljenje - kruto do tekuće
• sublimacija - kruta na plin
• isparavanje - tekući ili kruti do plina

Kapacitet topline, C, objekta je omjer promjene topline (promjena energije, ΔP, gdje grčki simbol Delta, Δ, označava promjenu količine) radi promjene temperature (ΔT).

C = Δ P / Δ T

Toplinski kapacitet tvari ukazuje na lakoću zagrijavanja tvari. dobar toplinski vodič imao bi niski toplinski kapacitet, što ukazuje da mala količina energije uzrokuje veliku promjenu temperature. Dobar toplinski izolator imao bi veliki toplinski kapacitet, što ukazuje da je za promjenu temperature potrebno mnogo prijenosa energije.

Postoje razne jednadžbe idealnih plinova koje odnose temperaturu (T₁), tlaka (P₁) i volumen (V₁). Te vrijednosti nakon termodinamičke promjene označene su s (T₂), (P₂) i (V₂). Za određenu količinu tvari, n (mjereno u molima) vrijede sljedeći odnosi:

Boyleov zakon ( T konstantno):
P₁V₁ = P₂V₂
Charles / Gay-Lussac zakon (P konstantno):
V₁/T₁ = V₂/T₂
Idealni zakon o plinu:
P₁V₁/T₁ = P₂V₂/T₂ = .R

R je idealna konstanta plina, R = 8,3145 J / mol * K. Stoga, za određenu količinu materije, .R je konstanta, što daje zakon idealnog plina.

• Nulti zakon termodinamike - Dva sustava u toplinskoj ravnoteži s trećim sustavom su u međusobnoj toplinskoj ravnoteži.
• Prvi zakon termodinamike - Promjena energije sustava je količina energije dodana u sustav umanjena za potrošenu energiju radeći.
• Drugi zakon termodinamike - Nemoguće je da proces ima jedini rezultat prijenos topline s hladnijeg tijela na toplije.
• Treći zakon termodinamike - Nemoguće je smanjiti bilo koji sustav na apsolutnu nulu u konačnom nizu operacija. To znači da se ne može stvoriti savršeno učinkovit toplinski motor.

Drugi zakon termodinamike može se ponoviti da bi se razgovaralo entropija, što je kvantitativno mjerenje poremećaja u sustavu. Promjena topline podijeljena s apsolutna temperatura je promjena entropije procesa. Definiran na ovaj način, Drugi zakon može se preinačiti kao:

U bilo kojem zatvorenom sustavu, entropija sustava će ili ostati konstantna ili će se povećavati.

Autor "zatvoreni sustav" to znači da svaki dio postupka uključuje se u izračun entropije sustava.

Na neki način, tretiranje termodinamike kao zasebne discipline fizike je zavaravajuće. Termodinamika se dotiče gotovo svakog područja fizike, od astrofizike do biofizike, jer se svi na neki način bave promjenom energije u nekom sustavu. Bez sposobnosti sustava da koristi energiju unutar sustava za obavljanje poslova - srce termodinamike - fizičari ne bi mogli ništa proučavati.

U skladu s tim, neka polja koriste termodinamiku usput dok proučavaju druga pojave, dok postoji širok raspon polja koja su usredotočena na termodinamičke situacije uključeni. Evo nekoliko potpolja termodinamike:

• Kriofizika / Kriogenika / Fizika niskih temperatura - studija za fizička svojstva u situacijama s niskom temperaturom, daleko ispod temperatura u čak i najhladnijim dijelovima Zemlje. Primjer za to je proučavanje suvišnih tekućina.
• Dinamika fluida / Mehanika fluida - proučavanje fizičkih svojstava „tekućina“, posebno definiranih u ovom slučaju, da budu tekućine i plinovi.
• Fizika visokog pritiska - the studij fizike u sustavima s visokim tlakom, koji se uglavnom odnose na dinamiku fluida.
• Meteorologija / fizika vremena - fizika vremena, tlačni sustavi u atmosferi itd.
• Fizika plazme - ispitivanje materije u stanju plazme.