Termodünaamika ülevaade ja põhikontseptsioonid

Termodünaamika on füüsika valdkond mis tegeleb suhetega kuumus ja muud omadused (näiteks surve, tihedus, temperatuurjne).

Täpsemalt, termodünaamika keskendub suuresti sellele, kuidas a soojusülekanne on seotud mitmesuguste energiamuutustega füüsilises süsteemis, kus toimub termodünaamiline protsess. Selliste protsesside tulemuseks on tavaliselt töö süsteemi poolt juhitud ja juhindub termodünaamika seadused.

Laias laastus võib materjali kuumuse all mõista selle materjali osakeste energia sisaldust. Seda nimetatakse gaaside kineetiline teooria, kuigi kontseptsioon kehtib erineval määral ka kuivainete ja vedelike kohta. Nende osakeste liikumisel tekkiv soojus võib mitmesugustel viisidel üle minna lähedalasuvateks osakesteks ja seetõttu ka materjali teistesse osadesse või muudesse materjalidesse:

• Termiline kontakt on see, kui kaks ainet võivad üksteise temperatuuri mõjutada.
• Termiline tasakaal on siis, kui kaks termilises kontaktis olevat ainet ei edasta enam soojust.
instagram viewer
• Soojuspaisumine toimub siis, kui aine maht laieneb, kuna see omandab kuumuse. Samuti on olemas termiline kokkutõmbumine.
• Juhtivus on siis, kui soojus voolab läbi kuumutatud tahke aine.
• Konvektsioon on see, kui kuumutatud osakesed kannavad soojuse üle teisele ainele, näiteks keetvas vees keetes.
• Kiirgus on siis, kui soojus kandub üle elektromagnetiliste lainete kaudu, näiteks päikese eest.
• Isolatsioon on siis, kui soojusülekande vältimiseks kasutatakse madala juhtivusega materjali.

Süsteem läbib a termodünaamiline protsess kui süsteemis toimub mingisugune energeetiline muutus, mis on tavaliselt seotud rõhu, ruumala, sisemise energia (s.o temperatuuri) või mis tahes soojusülekande muutustega.

Spetsiifiliste omadustega termodünaamilisi protsesse on mitut tüüpi:

• Adiabaatiline protsess - protsess, kus soojust ei kanta süsteemi sisse ega välja.
• Isokooriline protsess - protsess, mille maht ei muutu, sel juhul süsteem ei tööta.
• Isobaarne protsess - protsess, milles rõhk ei muutu.
• Isotermiline protsess - protsess, kus temperatuur ei muutu.

Aine seisund on materiaalse aine avalduva füüsikalise struktuuri tüübi kirjeldus koos omadustega, mis kirjeldavad, kuidas materjal hoiab koos (või mitte). Neid on viis mateeria olekud, ehkki tavaliselt ainult kolm esimest neist arvatakse mõtteseisunditest:

• gaas
• vedel
• kindel
• plasma
• supervedelik (näiteks a Bose-Einsteini kondensaat)

Paljud ained võivad liikuda aine gaasi-, vedeliku- ja tahkefaasi vahel, samas kui teadaolevalt suudavad vaid mõned haruldased ained üle minna vedeliku olekusse. Plasma on eraldiseisev mateeria olek, näiteks välk

• kondensatsioon - gaas vedelaks
• külmutamine - vedel kuni tahke
• sulamine - tahke vedelaks
• sublimatsioon - tahke gaas
• aurustamine - vedel või tahke gaas

Soojusmahtuvus, C, on objekti soojusenergia muutuse suhe (energia muutus, ΔQ, kus kreeka sümbol Delta Δ tähistab muutust koguses) temperatuuri muutmiseks (ΔT).

C = Δ Q / Δ T

Aine soojusmaht näitab aine soojenemise kergust. A hea soojusjuht oleks a madal soojusmahtuvus, mis näitab, et väike energiakogus põhjustab suuri temperatuurimuutusi. Hea soojusisolaatoril oleks suur soojusmahtuvus, mis näitab, et temperatuuri muutmiseks on vaja palju energiaülekannet.

Neid on erinevaid ideaalse gaasi võrrandid mis vastavad temperatuurile (T₁), rõhk (Lk₁) ja maht (V₁). Neid väärtusi pärast termodünaamilist muutust tähistab (T₂), (Lk₂) ja (V₂). Teatud koguse aine puhul n (mõõdetuna moolides), kehtivad järgmised seosed:

Boyle'i seadus ( T on konstantne):
Lk₁V₁ = Lk₂V₂
Charles / Gay-Lussaci seadus (Lk on konstantne):
V₁/T₁ = V₂/T₂
Ideaalse gaasi seadus:
Lk₁V₁/T₁ = Lk₂V₂/T₂ = nR

R on ideaalne gaasi konstant, R = 8,3145 J / mol * K. Seetõttu on antud ainehulga puhul nR on konstant, mis annab ideaalse gaasi seaduse.

• Termodünaamika nullseadus - Kaks süsteemi, mis mõlemad on termilises tasakaalus kolmanda süsteemiga, on üksteisega termilises tasakaalus.
• Termodünaamika esimene seadus - Süsteemi energia muutus on süsteemile lisatud energia hulk, millest lahutatakse töö tegemiseks kulutatud energia.
• Termodünaamika teine ​​seadus - Protsessi ainsaks tulemuseks on soojuse ülekandmine jahedamast kehast kuumemasse.
• Termodünaamika kolmas seadus - Piiratud toimingute seerias on võimatu ühtegi süsteemi taandada absoluutse nullini. See tähendab, et täiesti tõhusat soojusmootorit ei saa luua.

Termodünaamika teist seadust saab rääkida entroopia, mis on häire kvantitatiivne mõõtmine süsteemis. Soojusmuutus jagatud absoluutne temperatuur on entroopia muutus protsessi. Sel moel võib teist seadust korrata järgmiselt:

Mis tahes suletud süsteemis jääb süsteemi entroopia konstantseks või suureneb.

Kõrval "suletud süsteem" see tähendab et iga süsteemi entroopia arvutamisel võetakse arvesse osa protsessist.

Mõnes mõttes on termodünaamika käsitlemine füüsika selge distsipliinina eksitav. Termodünaamika puudutab peaaegu kõiki füüsika valdkondi, alates astrofüüsikast kuni biofüüsikani, kuna need kõik käsitlevad mingil moel süsteemi energia muutumist. Ilma süsteemi võimeta kasutada süsteemis energiat tööks - termodünaamika südameks - poleks füüsikutel midagi õppida.

Nagu öeldud, on mõnes valdkonnas termodünaamikat kasutav möödudes teiste õppimisel nähtusi, samas kui on palju erinevaid välju, mis keskenduvad suuresti termodünaamikaolukordadele kaasatud. Siin on mõned termodünaamika alamväljad:

• Krüofüüsika / krüogeenika / madala temperatuuriga füüsika - füüsikalised omadused madala temperatuuriga olukordades, mis on kaugelt madalam temperatuuridest, mis on kogetud isegi Maa kõige külmemates piirkondades. Selle näiteks on supervedelike uurimine.
• Vedeliku dünaamika / vedeliku mehaanika - vedelike füüsikaliste omaduste uurimine, mis sel juhul on määratletud vedelike ja gaasidena.
• Kõrgsurvefüüsika - füüsika õppimine eriti kõrgsurve süsteemides, mis on üldiselt seotud vedeliku dünaamikaga.
• Meteoroloogia / ilmafüüsika - ilmastiku füüsika, atmosfääri survesüsteemid jne.
• Plasmafüüsika - plasma seisundi uurimine.