Termodynamik: definition, love og ligninger

For mange mennesker lyder termodynamik som en skræmmende gren af ​​fysik, som kun de smarte mennesker kan forstå. Men med en vis grundlæggende viden og en smule arbejde kan enhver give mening i dette område af studier.

Termodynamik er en gren af ​​fysikken, der udforsker det igangværende i fysiske systemer på grund af overførsel af varmeenergi. Fysikere fra Sadi Carnot til Rudolf Clausius og James Clerk Maxwell til Max Planck har alle haft en hånd i udviklingen.

Ordet "termodynamik" kommer fra de græske rødder termokande, der betyder varmt eller varmt, og dynamikos, hvilket betyder kraftig, selvom senere fortolkninger af roden tilskriver betydningen af ​​handling og bevægelse til den. I det væsentlige er termodynamik studiet af varmeenergi i bevægelse.

Termodynamik beskæftiger sig med, hvordan varmeenergi kan genereres og omdannes til forskellige former for energi, såsom mekanisk energi. Det udforsker også forestillingen om orden og uorden i fysiske systemer såvel som energieffektivitet i forskellige processer.

En dyb undersøgelse af termodynamik er også stærkt afhængig af statistisk mekanik for at forstå kinetisk teori og så videre. Den grundlæggende idé er, at termodynamiske processer kan forstås ud fra, hvad alle de små molekyler i et system laver.

Problemet er dog, at det er umuligt at observere og redegøre for hvert molekyls individuelle handling, så der anvendes statistiske metoder i stedet og med stor nøjagtighed.

Nogle grundlæggende arbejde relateret til termodynamik blev udviklet så tidligt som i 1600'erne. Boyles lov, udviklet af Robert Boyle, bestemte forholdet mellem tryk og volumen, hvilket til sidst førte til den ideelle gaslov kombineret med Charles's lov og Gay-Lussacs lov.

Det var først i 1798, at varmen blev forstået som en form for energi af grev Rumford (alias Sir Benjamin Thompson). Han bemærkede, at genereret varme var proportional med arbejdet med at dreje et kedeligt værktøj.

I begyndelsen af ​​1800'erne udførte den franske militæringeniør Sadi Carnot en betydelig mængde arbejde i udvikle konceptet med en varmemotorcyklus såvel som ideen om reversibilitet i en termodynamik behandle. (Nogle processer fungerer lige så godt baglæns i tiden som fremad i tiden; disse processer kaldes reversible. Mange andre processer fungerer kun i én retning.)

Carnots arbejde førte til udviklingen af ​​dampmaskinen.

Senere formulerede Rudolf Clausius termodynamikens første og anden lov, som er beskrevet senere i denne artikel. Feltet for termodynamik udviklede sig hurtigt i 1800'erne, da ingeniører arbejdede for at gøre dampmaskiner mere effektive.

Termodynamiske egenskaber og mængder inkluderer følgende:

• Varme, som er energi overført mellem objekter ved forskellige temperaturer.
• Temperatur, som er et mål for den gennemsnitlige kinetiske energi pr. molekyle i et stof.
• Intern energi, som er summen af ​​den molekylære kinetiske energi og potentielle energi i et system af molekyler.
• Tryk, som er et mål for kraften pr. arealenhed på en container, der huser et stof.
• Bind er det tredimensionelle rum, som et stof optager.
• Mikrostater er de tilstande, som individuelle molekyler er i.
• Makrostater er de større stater, som samlinger af molekyler er i.
• Entropi er et mål for forstyrrelsen i et stof. Det er matematisk defineret i form af mikrostater eller tilsvarende med hensyn til ændringer i varme og temperatur.

Mange forskellige videnskabelige udtryk bruges i studiet af termodynamik. For at forenkle dine egne undersøgelser er her en liste over definitioner af almindeligt anvendte udtryk:

• Termisk ligevægt eller termodynamisk ligevægt: En tilstand, hvor alle dele af et lukket system har samme temperatur.
• Absolut nul Kelvin: Kelvin er SI-enheden for temperatur. Den laveste værdi på denne skala er nul eller absolut nul. Det er den koldeste mulige temperatur.
• Termodynamisk system: Ethvert lukket system, der indeholder interaktioner og udveksling af termisk energi.
• Isoleret system: Et system, der ikke kan udveksle energi med noget uden for det.
• Varmeenergi eller termisk energi: Der er mange forskellige former for energi; blandt dem er termisk energi, som er den energi, der er forbundet med molekylernes kinetiske bevægelse i et system.
• Gibbs fri energi: Et termodynamisk potentiale, der bruges til at bestemme den maksimale mængde reversibelt arbejde i et system.
• Specifik varmekapacitet: Mængden af ​​varmeenergi, der kræves for at ændre temperaturen på en enheds masse af et stof med 1 grad. Det afhænger af typen af ​​stof og er et nummer, der normalt kigges op i tabeller.
• Ideel gas: En forenklet model af gasser, der gælder for de fleste gasser ved standard temperatur og tryk. Selve gasmolekylerne antages at kollidere i perfekt elastiske kollisioner. Det antages også, at molekylerne er meget langt fra hinanden til, at de kan behandles som punktmasser.

Der er tre hovedpunkter love om termodynamik (kaldet den første lov, anden lov og tredje lov), men der er også en nul lov. Disse love er beskrevet som følger:

Det nul lov om termodynamik er sandsynligvis den mest intuitive. Det hedder, at hvis stof A er i termisk ligevægt med stof B, og stof B er i termisk ligevægt med stof C, så følger det, at stof A skal være i termisk ligevægt med stof C.

Det den første lov om termodynamik er dybest set en erklæring om loven om bevarelse af energi. Det hedder, at ændringen i et internt energi er lig forskellen mellem den varmeenergi, der overføres til systemet, og det arbejde, systemet udfører på dets omgivelser.

Det anden lov om termodynamik, undertiden omtalt som loven, der indebærer en tidspil - siger, at den samlede entropi i et lukket system kun kan forblive konstant eller øges, når tiden bevæger sig fremad. Entropi kan betragtes løst som et mål for forstyrrelse i et system, og denne lov kan tænkes løst som om, at ”ting har en tendens til at blandes sammen, jo mere du ryster dem op i modsætning til unmixing. ”

Det tredje lov om termodynamik angiver, at et systems entropi nærmer sig en konstant værdi, når temperaturen i et system nærmer sig absolut nul. Da der ved absolut nul ikke er nogen molekylær bevægelse, giver det mening at entropien ikke ville ændre sig på det tidspunkt.

Termodynamik bruger statistisk mekanik. Dette er en gren af ​​fysik, der anvender statistik til både klassisk og kvantefysik.

Statistisk mekanik tillader forskere at arbejde med makroskopiske størrelser på en mere ligetil måde end med mikroskopiske størrelser. Overvej f.eks. Temperatur. Det er defineret som den gennemsnitlige kinetiske energi pr. Molekyle i et stof.

Hvad hvis du i stedet havde brug for at bestemme den faktiske kinetiske energi for hvert molekyle og mere end det, holde styr på hver kollision mellem molekyler? Det ville være næsten umuligt at komme fremad. I stedet anvendes statistiske teknikker, der giver mulighed for forståelse af temperatur, varmekapacitet og så videre som større egenskaber ved et materiale.

Disse egenskaber beskriver gennemsnitsadfærd i materialet. Det samme gælder mængder som tryk og entropi.

EN varmemotor er et termodynamisk system, der omdanner varmeenergi til mekanisk energi. Dampmotorer er et eksempel på en varmemotor. De arbejder ved at bruge højt tryk til at flytte et stempel.

Varmemotorer kører på en slags komplet cyklus. De har en slags varmekilde, som normalt kaldes varmebadet, der giver dem mulighed for at tage varmeenergi. Denne varmeenergi forårsager derefter en slags termodynamisk ændring i systemet, såsom stigende tryk eller ekspansion af en gas.

Når en gas ekspanderer, fungerer den på miljøet. Nogle gange ser det ud til at få et stempel til at bevæge sig i en motor. Ved afslutningen af ​​en cyklus bruges et køligt bad til at bringe systemet tilbage til dets startpunkt.

Varmemotorer optager varmeenergi, bruger den til at udføre nyttigt arbejde og afgiver derefter eller mister noget varmeenergi til miljøet under processen. Det effektivitet af en varmemotor defineres som forholdet mellem den nyttige arbejdseffekt og nettovarmeindgangen.

Ikke overraskende ønsker forskere og ingeniører, at deres varmemotorer skal være så effektive som muligt - konvertere maksimale mængder varmeenergiindgang til nyttigt arbejde. Du tror måske, at den mest effektive en varmemotor kunne være, er 100 procent effektiv, men dette er forkert.

Faktisk er der en grænse for den maksimale effektivitet af en varmemotor. Ikke kun afhænger effektiviteten af ​​typen af processer i cyklussen, selv når det er bedst muligt processer (dem der er reversible) bruges, den mest effektive en varmemotor kan være afhænger af den relative temperaturforskel mellem varmebadet og det kølige bad.

Denne maksimale effektivitet kaldes Carnot-effektiviteten, og det er effektiviteten af ​​a Carnot cyklus, som er en varmemotorcyklus, der består af helt reversibel processer.

Der er mange anvendelser af termodynamik til processer set i hverdagen. Tag f.eks. Dit køleskab. Et køleskab fungerer i en termodynamisk cyklus.

Først komprimerer en kompressor kølemiddeldamp, hvilket forårsager et trykstigning og skubber det fremad i spoler placeret på ydersiden af ​​køleskabet. Hvis du føler disse spoler, vil de føles varme at røre ved.

Den omgivende luft får dem til at køle af, og den varme gas bliver tilbage til en væske. Denne væske køler ned ved højt tryk, da den strømmer ind i spoler inde i køleskabet, absorberer varme og køler ned luften. Når det er varmt nok, fordamper det igen til gas og går tilbage i kompressoren, og cyklussen gentages.

Varmepumper, som kan varme og køle dit hus, fungerer på lignende principper.