Prehľad termodynamiky a základné pojmy

Termodynamika je oblasť fyziky ktorý sa zaoberá vzťahom medzi teplo a ďalšie vlastnosti (napr tlak, hustota, teplotaatď.) v látke.

Konkrétne sa termodynamika zameriava hlavne na to, ako a prenos tepla je spojená s rôznymi energetickými zmenami vo fyzickom systéme, ktorý sa podrobuje termodynamickému procesu. Výsledkom takýchto procesov je zvyčajne práca vykonáva systém a riadi sa termodynamické zákony.

Všeobecne povedané, teplo materiálu sa chápe ako znázornenie energie obsiahnutej v časticiach tohto materiálu. Toto je známe ako kinetická teória plynov, tento koncept sa však v rôznej miere uplatňuje aj na tuhé látky a kvapaliny. Teplo z pohybu týchto častíc sa môže prenášať na častice v okolí, a teda do iných častí materiálu alebo iných materiálov, rôznymi spôsobmi:

• Tepelný kontakt je, keď si dve látky môžu navzájom ovplyvniť teplotu.
• Tepelná rovnováha je, keď dve látky v tepelnom kontakte neprenášajú teplo.
• Tepelná rozťažnosť nastane, keď látka expanduje v objeme, keď získava teplo. Existuje tiež tepelná kontrakcia.
instagram viewer
• vedenie je, keď teplo prúdi cez zahrievanú pevnú látku.
• prúdenie je, keď zohrievané častice prenášajú teplo na inú látku, napríklad na varenie niečoho vo vriacej vode.
• žiarenie je, keď je teplo prenášané elektromagnetickými vlnami, napríklad zo slnka.
• Izolácia je, keď sa na zabránenie prenosu tepla používa nízko vodivý materiál.

Systém prechádza a termodynamický proces keď v systéme existuje nejaká energetická zmena, zvyčajne spojená so zmenami tlaku, objemu, vnútornej energie (t. j. teploty) alebo akýmkoľvek druhom prenosu tepla.

Existuje niekoľko špecifických typov termodynamických procesov, ktoré majú špeciálne vlastnosti:

• Adiabatický proces - proces bez prenosu tepla do alebo zo systému.
• Izokinetický proces - proces bez zmeny objemu, v takom prípade systém nefunguje.
• Izobarický proces - proces bez zmeny tlaku.
• Izotermický proces - proces bez zmeny teploty.

Stav látky je opis typu fyzikálnej štruktúry, ktorú prejavuje hmotná látka, s vlastnosťami, ktoré popisujú, ako materiál drží pohromade (alebo nie). Je ich päť stavy hmoty, aj keď iba prvé tri z nich sú zvyčajne zahrnuté do spôsobu myslenia o stavoch:

• plynový
• kvapalina
• tuhý
• plazma
• superfluid (ako a Kondenzát Bose-Einstein)

Medzi plynnou, kvapalnou a pevnou fázou látky môže prechádzať veľa látok, zatiaľ čo je známe, že len niekoľko vzácnych látok je schopných vstúpiť do superfluidného stavu. Plazma je zreteľný stav hmoty, napríklad blesk

• kondenzácie - plyn na kvapalinu
• mrazivý - tekutý až pevný
• topenie - tuhá látka až tekutina
• sublimácie - pevná látka na plyn
• odparovanie - kvapalina alebo pevná látka na plyn

Tepelná kapacita, C, objektu je pomer zmeny tepla (zmena energie, A)Q, kde grécky symbol Delta, A znamená zmenu v množstve) na zmenu teploty (AT).

C = Δ Q / Δ T

Tepelná kapacita látky označuje ľahkosť, s akou sa látka zahrieva. dobrý tepelný vodič mal by nízka tepelná kapacita, čo naznačuje, že malé množstvo energie spôsobuje veľkú zmenu teploty. Dobrý tepelný izolátor by mal veľkú tepelnú kapacitu, čo naznačuje, že na zmenu teploty je potrebný veľký prenos energie.

Existuje mnoho ideálne plynové rovnice ktoré sa týkajú teploty (T₁), tlak (P₁) a objem (V₁). Tieto hodnoty po termodynamickej zmene sú označené (T₂), (P₂) a (V₂). Pre dané množstvo látky n (merané v móloch) platí nasledujúce vzťahy:

Boyleov zákon ( T je konštantný):
P₁V₁ = P₂V₂
Charles / Gay-Lussac zákon (P je konštantný):
V₁/T₁ = V₂/T₂
Zákon o ideálnom plyne:
P₁V₁/T₁ = P₂V₂/T₂ = nR

R je ideálna plynová konštanta, R = 8,3145 J / mol * K. Preto pre dané množstvo látky nR je konštantný, čo dáva zákon o ideálnom plyne.

• Zeroethov zákon termodynamiky - Dva systémy, každý v tepelnej rovnováhe s tretím systémom, sú navzájom v tepelnej rovnováhe.
• Prvý zákon termodynamiky - Zmena energie systému je množstvo energie pridané do systému mínus energia vynaložená na prácu.
• Druhý termodynamický zákon - Je nemožné, aby výsledkom procesu bol iba prenos tepla z chladnejšieho telesa na teplejšie telo.
• Tretí termodynamický zákon - V konečnej sérii operácií nie je možné zredukovať žiadny systém na absolútnu nulu. To znamená, že nie je možné vytvoriť dokonale efektívny tepelný motor.

Možno hovoriť o druhom termodynamickom zákone entropia, čo je kvantitatívne meranie poruchy v systéme. Zmena tepla vydelená absolútna teplota je entropická zmena procesu. Takto definovaný druhý zákon možno preformulovať takto:

V akomkoľvek uzavretom systéme bude entropia systému buď konštantná alebo sa bude zvyšovať.

Autor: „uzavretý systém" znamená to, že každý časť procesu je zahrnutá pri výpočte entropie systému.

V niektorých ohľadoch je chápanie termodynamiky ako samostatnej disciplíny fyziky zavádzajúce. Termodynamika sa dotýka prakticky každej oblasti fyziky, od astrofyziky po biofyziku, pretože všetci sa nejakým spôsobom zaoberajú zmenou energie v systéme. Bez schopnosti systému využívať energiu v systéme na prácu - srdce termodynamiky - by fyzici nemohli študovať.

Ako už bolo povedané, niektoré oblasti používajú termodynamiku pri absolvovaní, keď idú študovať ďalšie fenomény, zatiaľ čo existuje široká škála oblastí, ktoré sa silno zameriavajú na termodynamické situácie zapojení. Tu sú niektoré z podpolíc termodynamiky:

• Kryofyzika / kryogenika / nízkoteplotná fyzika - štúdia o fyzikálne vlastnosti v nízkych teplotách, hlboko pod teplotami, ktoré sa vyskytujú aj v najchladnejších oblastiach Zeme. Príkladom toho je štúdia superfluidov.
• Mechanika tekutín / mechanika tekutín - štúdium fyzikálnych vlastností „tekutín“, ktoré sú v tomto prípade osobitne definované ako kvapaliny a plyny.
• Fyzika vysokého tlaku - štúdium fyziky v systémoch s extrémne vysokým tlakom, ktoré sa všeobecne týkajú dynamiky tekutín.
• Meteorológia / fyzika počasia - fyzika počasia, tlakové systémy v atmosfére atď.
• Fyzika plazmy - štúdium látok v plazmatickom stave.