Thermodynamica: definitie, wetten en vergelijkingen

Voor veel mensen klinkt thermodynamica als een enge tak van de natuurkunde die alleen slimme mensen kunnen begrijpen. Maar met wat basiskennis en een beetje werk, kan iedereen dit studiegebied begrijpen.

Thermodynamica is een tak van de natuurkunde die zich bezighoudt met het reilen en zeilen in fysieke systemen als gevolg van de overdracht van warmte-energie. Natuurkundigen van Sadi Carnot tot Rudolf Clausius en James Clerk Maxwell tot Max Planck hebben allemaal een hand gehad in de ontwikkeling ervan.

Het woord "thermodynamica" komt van de Griekse wortels thermosfles, wat heet of warm betekent, en dynamikos, wat krachtig betekent, hoewel latere interpretaties van de wortel de betekenis van actie en beweging eraan toeschrijven. In wezen is thermodynamica de studie van warmte-energie in beweging.

Thermodynamica gaat over hoe warmte-energie kan worden opgewekt en omgezet in verschillende vormen van energie, zoals mechanische energie. Het onderzoekt ook de notie van orde en wanorde in fysieke systemen, evenals de energie-efficiëntie van verschillende processen.

Een diepgaande studie van de thermodynamica is ook sterk afhankelijk van statistische mechanica om de kinetische theorie te begrijpen enzovoort. Het basisidee is dat thermodynamische processen kunnen worden begrepen in termen van wat alle kleine moleculen in een systeem doen.

Het probleem is echter dat het onmogelijk is om de individuele actie van elk molecuul te observeren en te verklaren, dus worden in plaats daarvan statistische methoden toegepast, en met grote nauwkeurigheid.

Al in de 17e eeuw werd enig fundamenteel werk met betrekking tot thermodynamica ontwikkeld. De wet van Boyle, ontwikkeld door Robert Boyle, bepaalde de relatie tussen druk en volume, wat uiteindelijk leidde tot de ideale gaswet in combinatie met de wet van Charles en de wet van Gay-Lussac.

Pas in 1798 werd warmte door graaf Rumford (ook bekend als Sir Benjamin Thompson) als een vorm van energie begrepen. Hij merkte op dat de gegenereerde warmte evenredig was met de arbeid die werd verricht bij het draaien van een kottergereedschap.

In het begin van de 19e eeuw deed de Franse militair ingenieur Sadi Carnot een aanzienlijke hoeveelheid werk in het concept van een warmtemotorcyclus ontwikkelen, evenals het idee van omkeerbaarheid in een thermodynamica werkwijze. (Sommige processen werken even goed terug in de tijd als vooruit in de tijd; die processen worden omkeerbaar genoemd. Veel andere processen werken maar in één richting.)

Het werk van Carnot leidde tot de ontwikkeling van de stoommachine.

Later formuleerde Rudolf Clausius de eerste en tweede wet van de thermodynamica, die verderop in dit artikel worden beschreven. Het gebied van thermodynamica evolueerde snel in de jaren 1800 toen ingenieurs werkten om stoommachines efficiënter te maken.

Thermodynamische eigenschappen en hoeveelheden omvatten het volgende:

• Warmte, wat energie is die wordt overgedragen tussen objecten bij verschillende temperaturen.
• Temperatuur, wat een maat is voor de gemiddelde kinetische energie per molecuul in een stof.
• Interne energie, wat de som is van de moleculaire kinetische energie en potentiële energie in een systeem van moleculen.
• Druk, wat een maat is voor de kracht per oppervlakte-eenheid op een container die een stof bevat.
• Volume is de driedimensionale ruimte die een stof inneemt.
• microstaten zijn de toestanden waarin individuele moleculen zich bevinden.
• Macrostaten zijn de grotere toestanden waarin verzamelingen moleculen zich bevinden.
• Entropie is een maat voor de stoornis in een stof. Het is wiskundig gedefinieerd in termen van microtoestanden, of equivalent, in termen van veranderingen in warmte en temperatuur.

Bij de studie van de thermodynamica worden veel verschillende wetenschappelijke termen gebruikt. Om uw eigen onderzoek te vereenvoudigen, volgt hier een lijst met definities van veelgebruikte termen:

• Thermisch evenwicht of thermodynamisch evenwicht: Een toestand waarin alle delen van een gesloten systeem dezelfde temperatuur hebben.
• Absoluut nul Kelvin: Kelvin is de SI-eenheid voor temperatuur. De laagste waarde op deze schaal is nul of het absolute nulpunt. Het is de koudst mogelijke temperatuur.
• Thermodynamisch systeem: Elk gesloten systeem dat interacties en uitwisselingen van thermische energie bevat.
• Geïsoleerd systeem: Een systeem dat geen energie kan uitwisselen met iets daarbuiten.
• Warmte-energie of thermische energie: Er zijn veel verschillende vormen van energie; onder hen is thermische energie, de energie die verband houdt met de kinetische beweging van de moleculen in een systeem.
• Gibbs vrije energie: Een thermodynamische potentiaal die wordt gebruikt om de maximale hoeveelheid omkeerbare arbeid in een systeem te bepalen.
• Specifieke warmte capaciteit: De hoeveelheid warmte-energie die nodig is om de temperatuur van een eenheidsmassa van een stof met 1 graad te veranderen. Het hangt af van het soort stof en is een getal dat meestal in tabellen wordt opgezocht.
• Ideaal gas: Een vereenvoudigd model van gassen dat van toepassing is op de meeste gassen bij standaardtemperatuur en -druk. De gasmoleculen zelf worden verondersteld te botsen in perfect elastische botsingen. Er wordt ook aangenomen dat de moleculen zo ver van elkaar verwijderd zijn dat ze als puntmassa's kunnen worden behandeld.

Er zijn drie belangrijke wetten van de thermodynamica (de eerste wet, tweede wet en derde wet genoemd) maar er is ook een nulde wet. Deze wetten worden als volgt beschreven:

De nulde wet van de thermodynamica is waarschijnlijk het meest intuïtief. Het stelt dat als stof A in thermisch evenwicht is met stof B, en stof B in thermisch evenwicht is evenwicht met stof C, dan volgt daaruit dat stof A in thermisch evenwicht moet zijn met stof C.

De eerste wet van de thermodynamica is eigenlijk een verklaring van de wet van behoud van energie. Het stelt dat de verandering in interne energie van een systeem gelijk is aan het verschil tussen de warmte-energie die in het systeem wordt overgedragen en het werk dat door het systeem op zijn omgeving wordt gedaan.

De tweede wet van de thermodynamica, ook wel de wet genoemd die een pijl van de tijd impliceert - stelt dat de totale entropie in een gesloten systeem alleen constant kan blijven of toenemen naarmate de tijd vordert. Entropie kan losjes worden gezien als een maatstaf voor de wanorde van een systeem, en deze wet kan worden gedacht van losjes als te stellen dat "dingen de neiging hebben om door elkaar te lopen naarmate je ze meer door elkaar schudt, in tegenstelling tot" ontmengen.”

De derde wet van de thermodynamica stelt dat de entropie van een systeem een ​​constante waarde nadert als de temperatuur van een systeem het absolute nulpunt nadert. Aangezien er op het absolute nulpunt geen moleculaire beweging is, is het logisch dat de entropie op dat punt niet zou veranderen.

Thermodynamica maakt gebruik van statistische mechanica. Dit is een tak van de natuurkunde die statistiek toepast op zowel de klassieke als de kwantumfysica.

Dankzij statistische mechanica kunnen wetenschappers op een eenvoudigere manier met macroscopische grootheden werken dan met microscopische grootheden. Denk bijvoorbeeld aan temperatuur. Het wordt gedefinieerd als de gemiddelde kinetische energie per molecuul in een stof.

Wat als je in plaats daarvan de werkelijke kinetische energie van elk molecuul moet bepalen, en meer dan dat, elke botsing tussen moleculen moet bijhouden? Het zou bijna onmogelijk zijn om vooruitgang te boeken. In plaats daarvan worden statistische technieken gebruikt die het mogelijk maken om temperatuur, warmtecapaciteit enzovoort te begrijpen als grotere eigenschappen van een materiaal.

Deze eigenschappen beschrijven het gemiddelde gedrag in het materiaal. Hetzelfde geldt voor grootheden als druk en entropie.

EEN warmte motor is een thermodynamisch systeem dat warmte-energie omzet in mechanische energie. Stoommachines zijn een voorbeeld van een warmtemachine. Ze werken door hoge druk te gebruiken om een ​​zuiger te bewegen.

Warmtemotoren werken op een soort van complete cyclus. Ze hebben een soort warmtebron, die meestal het warmtebad wordt genoemd, waardoor ze warmte-energie kunnen opnemen. Die warmte-energie veroorzaakt dan een soort thermodynamische verandering in het systeem, zoals het verhogen van de druk of het expanderen van een gas.

Als een gas uitzet, werkt het wel degelijk op het milieu. Soms lijkt dit erop dat een zuiger in een motor beweegt. Aan het einde van een cyclus wordt een koelbad gebruikt om het systeem terug te brengen naar het beginpunt.

Warmtemotoren nemen warmte-energie op, gebruiken deze om nuttig werk te doen en geven tijdens het proces ook wat warmte-energie af of verliezen deze aan de omgeving. De efficiëntie van een warmtemotor wordt gedefinieerd als de verhouding tussen de nuttige arbeid en de netto warmte-input.

Het is niet verrassend dat wetenschappers en ingenieurs willen dat hun warmtemotoren zo efficiënt mogelijk zijn - maximale hoeveelheden warmte-energie-invoer omzetten in nuttig werk. Je zou kunnen denken dat de meest efficiënte verbrandingsmotor 100 procent efficiënt is, maar dit is onjuist.

In feite is er een grens aan het maximale rendement van een warmtemotor. De efficiëntie is niet alleen afhankelijk van het type processen in de cyclus, zelfs als de best mogelijke processen (die omkeerbaar zijn) worden gebruikt, hangt de meest efficiënte warmtemotor af van het relatieve temperatuurverschil tussen het warmtebad en het koude bad.

Deze maximale efficiëntie wordt de Carnot-efficiëntie genoemd en is de efficiëntie van a of Carnot-cyclus, wat een warmtemotorcyclus is die bestaat uit volledig omkeerbare processen.

Er zijn veel toepassingen van thermodynamica om processen in het dagelijks leven gezien. Neem bijvoorbeeld je koelkast. Een koelkast werkt op basis van een thermodynamische cyclus.

Eerst comprimeert een compressor koelmiddeldamp, waardoor de druk stijgt en deze naar voren wordt geduwd in spoelen aan de buitenzijde van de achterkant van uw koelkast. Als u deze spoelen voelt, zullen ze warm aanvoelen.

De omringende lucht zorgt ervoor dat ze afkoelen en het hete gas verandert weer in een vloeistof. Deze vloeistof koelt onder hoge druk af terwijl het in spiralen in de koelkast stroomt, warmte absorbeert en de lucht afkoelt. Als het eenmaal heet genoeg is, verdampt het weer in gas en gaat het terug naar de compressor, en de cyclus herhaalt zich.

Warmtepompen, die uw huis kunnen verwarmen en koelen, werken volgens vergelijkbare principes.