Επισκόπηση Θερμοδυναμικής και Βασικές Έννοιες

Η θερμοδυναμική είναι η τομέα της φυσικής που ασχολείται με τη σχέση μεταξύ θερμότητα και άλλες ιδιότητες (όπως πίεση, πυκνότητα, θερμοκρασία, κ.λπ.) σε μια ουσία.

Συγκεκριμένα, η θερμοδυναμική επικεντρώνεται σε μεγάλο βαθμό στο πώς μεταφορά θερμότητας σχετίζεται με διάφορες ενεργειακές μεταβολές εντός ενός φυσικού συστήματος που υφίσταται μια θερμοδυναμική διαδικασία. Τέτοιες διαδικασίες συνήθως έχουν ως αποτέλεσμα δουλειά που πραγματοποιούνται από το σύστημα και καθοδηγούνται από το σύστημα νόμους της θερμοδυναμικής.

Σε γενικές γραμμές, η θερμότητα ενός υλικού νοείται ως αναπαράσταση της ενέργειας που περιέχεται στα σωματίδια αυτού του υλικού. Αυτό είναι γνωστό ως κινητική θεωρία των αερίων, αν και η έννοια εφαρμόζεται σε ποικίλους βαθμούς σε στερεά και υγρά. Η θερμότητα από την κίνηση αυτών των σωματιδίων μπορεί να μεταφερθεί σε κοντινά σωματίδια και επομένως σε άλλα μέρη του υλικού ή άλλων υλικών, μέσω ποικίλων μέσων:

• Θερμική επαφή είναι όταν δύο ουσίες μπορούν να επηρεάσουν την θερμοκρασία του άλλου.
instagram viewer
• Θερμική ισορροπία είναι όταν δύο ουσίες σε θερμική επαφή δεν μεταφέρουν πλέον τη θερμότητα.
• Θερμική διαστολή λαμβάνει χώρα όταν μια ουσία αναπτύσσεται σε όγκο καθώς αποκτά θερμότητα. Υπάρχει επίσης θερμική συστολή.
• Μεταβίβαση είναι όταν η θερμότητα ρέει μέσω θερμαινόμενου στερεού.
• Μεταγωγή όταν θερμαίνονται τα σωματίδια μεταφέρουν θερμότητα σε άλλη ουσία, όπως το μαγείρεμα σε βραστό νερό.
• Ακτινοβολία είναι όταν η θερμότητα μεταφέρεται μέσω ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων, όπως από τον ήλιο.
• Μόνωση είναι όταν χρησιμοποιείται ένα υλικό χαμηλής αγωγιμότητας για την αποφυγή της μεταφοράς θερμότητας.

Ένα σύστημα υφίσταται ένα θερμοδυναμική διαδικασία όταν υπάρχει κάποιο είδος ενεργητικής αλλαγής εντός του συστήματος, γενικώς συνδεδεμένο με μεταβολές στην πίεση, τον όγκο, την εσωτερική ενέργεια (δηλ. τη θερμοκρασία) ή οποιουδήποτε είδους μεταφορά θερμότητας.

Υπάρχουν αρκετοί ειδικοί τύποι θερμοδυναμικών διεργασιών που έχουν ειδικές ιδιότητες:

• Αδιαβατική διαδικασία - μια διαδικασία χωρίς μεταφορά θερμότητας μέσα ή έξω από το σύστημα.
• Ισοκορική διαδικασία - μια διαδικασία χωρίς μεταβολή στον όγκο, οπότε το σύστημα δεν λειτουργεί.
• Ισοβαρική διαδικασία - μια διαδικασία χωρίς μεταβολή της πίεσης.
• Ισοθερμική διαδικασία - μια διαδικασία χωρίς μεταβολή της θερμοκρασίας.

Η κατάσταση της ύλης είναι μια περιγραφή του τύπου της φυσικής δομής που εκδηλώνεται μια υλική ουσία, με ιδιότητες που περιγράφουν τον τρόπο που το υλικό συγκρατείται μαζί (ή όχι). Υπάρχουν πέντε καταστάσεις της ύλης, αν και μόνο οι πρώτες τρεις από αυτές περιλαμβάνονται συνήθως στον τρόπο που σκεφτόμαστε τις καταστάσεις της ύλης:

• αέριο
• υγρό
• στερεός
• πλάσμα αίματος
• υπερρευστό (όπως α Το συμπύκνωμα Bose-Einstein)

Πολλές ουσίες μπορούν να μεταβαίνουν μεταξύ των αερίων, υγρών και στερεών φάσεων της ύλης, ενώ μόνο λίγες σπάνιες ουσίες είναι γνωστό ότι είναι σε θέση να εισέλθουν σε υπερρευστοποιημένη κατάσταση. Το πλάσμα είναι μια ξεχωριστή κατάσταση της ύλης, όπως η αστραπή

• συμπύκνωση - αέριο προς υγρό
• κατάψυξη - υγρό έως στερεό
• τήξη - στερεό προς υγρό
• εξάχνιση - στερεό στο αέριο
• εξάτμιση - υγρό ή στερεό στο αέριο

Η θερμική ικανότητα, ντο, ενός αντικειμένου είναι ο λόγος μεταβολής της θερμότητας (αλλαγή ενέργειας, ΔQ, όπου το ελληνικό σύμβολο Delta, Δ, υποδηλώνει μια μεταβολή στην ποσότητα) για να αλλάξει η θερμοκρασία (ΔΤ).

ντο = Δ Q / Δ Τ

Η θερμική ικανότητα μιας ουσίας υποδεικνύει την ευκολία με την οποία θερμαίνεται μια ουσία. ΕΝΑ καλός θερμικός αγωγός θα είχε α χαμηλή θερμική χωρητικότητα, υποδεικνύοντας ότι μια μικρή ποσότητα ενέργειας προκαλεί μεγάλη αλλαγή θερμοκρασίας. Ένας καλός θερμικός μονωτήρας θα είχε μεγάλη θερμική ισχύ, υποδεικνύοντας ότι απαιτείται μεγάλη μεταφορά ενέργειας για μια αλλαγή θερμοκρασίας.

Υπάρχουν διάφορες ιδανικές εξισώσεις αερίου που σχετίζονται με τη θερμοκρασία (Τ₁), πίεση (Π₁) και την ένταση (V₁). Αυτές οι τιμές μετά από μία θερμοδυναμική αλλαγή υποδεικνύονται από (Τ₂), (Π₂), και (V₂). Για μια δεδομένη ποσότητα μιας ουσίας, n (μετρούμενο σε γραμμομόρια), διατηρούνται οι ακόλουθες σχέσεις:

Νόμος του Boyle ( Τ είναι σταθερή):
Π₁V₁ = Π₂V₂
Νόμος Charles / Gay-Lussac (Π είναι σταθερή):
V₁/Τ₁ = V₂/Τ₂
Νόμος περί ιδανικού αερίου:
Π₁V₁/Τ₁ = Π₂V₂/Τ₂ = nR

R είναι το ιδανικό σταθερό αέριο, R = 8.3145 J / mol * Κ. Για μια δεδομένη ποσότητα ύλης, λοιπόν, nR είναι σταθερή, η οποία δίνει το νόμο για το ιδανικό αέριο.

• Μηδενίζει το νόμο της θερμοδυναμικής - Δύο συστήματα σε θερμική ισορροπία με ένα τρίτο σύστημα βρίσκονται σε θερμική ισορροπία το ένα με το άλλο.
• Πρώτος Νόμος Θερμοδυναμικής - Η αλλαγή στην ενέργεια ενός συστήματος είναι η ποσότητα ενέργειας που προστίθεται στο σύστημα μείον την ενέργεια που καταναλώνεται για να γίνει η εργασία.
• Δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής - Είναι αδύνατο μια διαδικασία να έχει ως μοναδικό αποτέλεσμα τη μεταφορά θερμότητας από ένα ψυχρότερο σώμα σε ένα θερμότερο.
• Τρίτος Νόμος Θερμοδυναμικής - Είναι αδύνατο να μειώσουμε οποιοδήποτε σύστημα στο απόλυτο μηδέν σε μια πεπερασμένη σειρά λειτουργιών. Αυτό σημαίνει ότι δεν μπορεί να δημιουργηθεί μια τέλεια αποτελεσματική μηχανή θερμότητας.

Ο Δεύτερος Νόμος της Θερμοδυναμικής μπορεί να επαναδιατυπωθεί για να μιλήσει η εντροπία, η οποία είναι μια ποσοτική μέτρηση της διαταραχής σε ένα σύστημα. Η μεταβολή της θερμότητας διαιρούμενη με το απόλυτη θερμοκρασία είναι το αλλαγή της εντροπίας της διαδικασίας. Ο Δεύτερος Νόμος μπορεί να επαναδιατυπωθεί ως εξής:

Σε κάθε κλειστό σύστημα, η εντροπία του συστήματος είτε θα παραμείνει σταθερή είτε θα αυξηθεί.

Με "κλειστό σύστημα" αυτό σημαίνει ότι κάθε μέρος της διαδικασίας περιλαμβάνεται κατά τον υπολογισμό της εντροπίας του συστήματος.

Με κάποιους τρόπους, η θεραπεία της θερμοδυναμικής ως ξεχωριστής πειθαρχίας της φυσικής είναι παραπλανητική. Η θερμοδυναμική αγγίζει σχεδόν όλα τα πεδία της φυσικής, από την αστροφυσική έως τη βιοφυσική, επειδή όλα ασχολούνται με κάποιο τρόπο με την αλλαγή της ενέργειας σε ένα σύστημα. Χωρίς την ικανότητα ενός συστήματος να χρησιμοποιεί ενέργεια μέσα στο σύστημα για να κάνει δουλειά - την καρδιά της θερμοδυναμικής - δεν θα υπήρχε τίποτα για τους φυσικούς να μελετήσουν.

Αυτό έχει ειπωθεί, υπάρχουν μερικοί τομείς που χρησιμοποιούν θερμοδυναμική στο πέρασμα καθώς πηγαίνουν για τη μελέτη άλλων φαινόμενα, ενώ υπάρχει ένα ευρύ φάσμα πεδίων που επικεντρώνονται σε μεγάλο βαθμό στις καταστάσεις θερμοδυναμικής εμπλεγμένος. Εδώ είναι μερικά από τα υπο-πεδία της θερμοδυναμικής:

• Cryophysics / Cryogenics / Φυσική χαμηλής θερμοκρασίας - η μελέτη του φυσικές ιδιότητες σε καταστάσεις χαμηλής θερμοκρασίας, πολύ χαμηλότερες από τις θερμοκρασίες που παρατηρούνται ακόμη και στις πιο ψυχρές περιοχές της Γης. Ένα παράδειγμα αυτού είναι η μελέτη υπερρευσμάτων.
• Δυναμική Ρευστών / Μηχανική Ρευστών - τη μελέτη των φυσικών ιδιοτήτων των "υγρών", που συγκεκριμένα ορίζονται στην περίπτωση αυτή ως υγρά και αέρια.
• Φυσική Υψηλής Πίεσης - ο μελέτη της φυσικής σε συστήματα εξαιρετικά υψηλής πίεσης, που σχετίζονται γενικά με τη δυναμική των ρευστών.
• Μετεωρολογία / Φυσική του καιρού - τη φυσική του καιρού, τα συστήματα πίεσης στην ατμόσφαιρα κ.λπ.
• Φυσική πλάσματος - τη μελέτη της ύλης στην κατάσταση του πλάσματος.