Termodynamikk: definisjon, lover og ligninger

For mange mennesker høres termodynamikk ut som en skummel gren av fysikk som bare de smarte menneskene kan forstå. Men med litt grunnleggende kunnskap og litt arbeid, kan hvem som helst få mening i dette studiet.

Termodynamikk er en gren av fysikk som utforsker pågangen i fysiske systemer på grunn av overføring av varmeenergi. Fysikere fra Sadi Carnot til Rudolf Clausius og James Clerk Maxwell til Max Planck har alle hatt en hånd i utviklingen.

Ordet "termodynamikk" kommer fra de greske røttene termos, som betyr varmt eller varmt, og dynamikos, som betyr kraftig, selv om senere tolkninger av roten tilskriver betydningen av handling og bevegelse til den. I hovedsak er termodynamikk studiet av varmeenergi i bevegelse.

Termodynamikk handler om hvordan varmeenergi kan genereres og transformeres til forskjellige energiformer, for eksempel mekanisk energi. Det utforsker også forestillingen om orden og forstyrrelser i fysiske systemer, så vel som energieffektivitet av forskjellige prosesser.

En dyp studie av termodynamikk er også sterkt avhengig av statistisk mekanikk for å forstå kinetisk teori og så videre. Den grunnleggende ideen er at termodynamiske prosesser kan forstås ut fra hva alle de små molekylene i et system gjør.

Problemet er imidlertid at det er umulig å observere og redegjøre for hvert molekyls individuelle handling, så statistiske metoder brukes i stedet og med stor nøyaktighet.

Noe grunnleggende arbeid relatert til termodynamikk ble utviklet allerede på 1600-tallet. Boyles lov, utviklet av Robert Boyle, bestemte forholdet mellom trykk og volum, noe som til slutt førte til den ideelle gassloven når den ble kombinert med Charles lov og Gay-Lussacs lov.

Først i 1798 ble varmen forstått som en form for energi av grev Rumford (aka Sir Benjamin Thompson). Han observerte at varmen som ble generert var proporsjonal med arbeidet som ble gjort for å snu et kjedelig verktøy.

På begynnelsen av 1800-tallet utførte den franske militæringeniøren Sadi Carnot et betydelig arbeid utvikle konseptet med en varmemotorsyklus, samt ideen om reversibilitet i et termodynamisk prosess. (Noen prosesser fungerer like godt bakover i tid som fremover i tid; disse prosessene kalles reversible. Mange andre prosesser fungerer bare i en retning.)

Carnots arbeid førte til utviklingen av dampmotoren.

Senere formulerte Rudolf Clausius den første og andre loven om termodynamikk, som er beskrevet senere i denne artikkelen. Feltet termodynamikk utviklet seg raskt på 1800-tallet da ingeniører jobbet for å gjøre dampmaskiner mer effektive.

Termodynamiske egenskaper og mengder inkluderer følgende:

• Varme, som er energi overført mellom objekter ved forskjellige temperaturer.
• Temperatur, som er et mål på gjennomsnittlig kinetisk energi per molekyl i et stoff.
• Indre energi, som er summen av molekylær kinetisk energi og potensiell energi i et system av molekyler.
• Press, som er et mål på kraften per arealeenhet på en container som huser et stoff.
• Volum er det tredimensjonale rommet som et stoff tar opp.
• Mikrostatene er tilstandene som individuelle molekyler er i.
• Makrostatene er de større tilstandene som samlinger av molekyler er i.
• Entropi er et mål på forstyrrelsen i et stoff. Det er matematisk definert i form av mikrostater, eller tilsvarende, i form av endringer i varme og temperatur.

Mange forskjellige vitenskapelige begreper brukes i studiet av termodynamikk. For å forenkle dine egne undersøkelser, her er en liste over definisjoner av vanlige begreper:

• Termisk likevekt eller termodynamisk likevekt: En tilstand der alle deler av et lukket system har samme temperatur.
• Absolutt null Kelvin: Kelvin er SI-enheten for temperatur. Den laveste verdien på denne skalaen er null, eller absolutt null. Det er den kaldeste mulige temperaturen.
• Termodynamisk system: Ethvert lukket system som inneholder interaksjoner og utveksling av termisk energi.
• Isolert system: Et system som ikke kan bytte energi med noe utenfor det.
• Varmeenergi eller termisk energi: Det er mange forskjellige former for energi; blant dem er termisk energi, som er energien assosiert med den kinetiske bevegelsen til molekylene i et system.
• Gibbs fri energi: Et termodynamisk potensial som brukes til å bestemme maksimal mengde reversibelt arbeid i et system.
• Spesifikk varmekapasitet: Mengden varmeenergi som kreves for å endre temperaturen til en enhetsmasse av et stoff med 1 grad. Det avhenger av type stoff og er et nummer som vanligvis blir sett opp i tabeller.
• Ideell gass: En forenklet gassmodell som gjelder de fleste gasser ved standard temperatur og trykk. Gassmolekylene antas å kollidere i perfekt elastiske kollisjoner. Det antas også at molekylene er veldig langt nok fra hverandre til at de kan behandles som punktmasser.

Det er tre hoved lover om termodynamikk (kalt første lov, andre lov og tredje lov) men det er også en null lov. Disse lovene er beskrevet som følger:

De nul lov om termodynamikk er sannsynligvis den mest intuitive. Den sier at hvis stoff A er i termisk likevekt med stoff B, og stoff B er i termisk likevekt med stoff C, så følger det at stoff A må være i termisk likevekt med stoff C.

De første lov om termodynamikk er i utgangspunktet en uttalelse om loven om bevaring av energi. Den sier at endringen i intern energi i et system er lik forskjellen mellom varmeenergien som overføres til systemet og arbeidet som systemet gjør på omgivelsene.

De andre lov om termodynamikk, noen ganger referert til som loven som innebærer en tidspil - sier at den totale entropien i et lukket system bare kan forbli konstant eller øke når tiden beveger seg fremover. Entropi kan tenkes løst som et mål på forstyrrelse i et system, og denne loven kan tenkes løst som å si at “ting har en tendens til å blandes sammen jo mer du rister dem opp, i motsetning til unmixing. ”

De tredje lov om termodynamikk sier at entropien til et system nærmer seg en konstant verdi når temperaturen i et system nærmer seg absolutt null. Siden det ved absolutt null ikke er molekylær bevegelse, er det fornuftig at entropien ikke ville endres på det tidspunktet.

Termodynamikk bruker statistisk mekanikk. Dette er en gren av fysikk som bruker statistikk på både klassisk og kvantefysikk.

Statistisk mekanikk tillater forskere å jobbe med makroskopiske størrelser på en mer enkel måte enn med mikroskopiske størrelser. Tenk for eksempel på temperatur. Det er definert som den gjennomsnittlige kinetiske energien per molekyl i et stoff.

Hva om du i stedet trengte å bestemme den faktiske kinetiske energien til hvert molekyl, og mer enn det, holde styr på hver kollisjon mellom molekyler? Det ville være nesten umulig å komme videre. I stedet brukes statistiske teknikker som muliggjør forståelse av temperatur, varmekapasitet og så videre som større egenskaper til et materiale.

Disse egenskapene beskriver gjennomsnittlig atferd som foregår i materialet. Det samme gjelder mengder som trykk og entropi.

EN varmemotor er et termodynamisk system som omdanner varmeenergi til mekanisk energi. Dampmotorer er et eksempel på en varmemotor. De jobber ved å bruke høyt trykk for å flytte et stempel.

Varmemotorer fungerer på en slags komplett syklus. De har en slags varmekilde, som vanligvis kalles varmebadet, som gjør at de kan ta inn varmeenergi. Den varmeenergien forårsaker da en slags termodynamisk endring i systemet, for eksempel å øke trykket eller utvide en gass.

Når en gass utvides, fungerer den på miljøet. Noen ganger ser dette ut som å få et stempel til å bevege seg i en motor. På slutten av en syklus brukes et kjølig bad for å bringe systemet tilbake til utgangspunktet.

Varmemotorer tar inn varmeenergi, bruker den til å gjøre nyttig arbeid, og gir også ut eller mister litt varmeenergi til miljøet under prosessen. De effektivitet av en varmemotor er definert som forholdet mellom nyttig arbeidseffekt og netto varmeinngang.

Ikke overraskende vil forskere og ingeniører at deres varmemotorer skal være så effektive som mulig - konvertere maksimale mengder varmeenergiinngang til nyttig arbeid. Du tror kanskje at den mest effektive en varmemotor kan være er 100 prosent effektiv, men dette er feil.

Faktisk er det en grense for maksimal effektivitet til en varmemotor. Ikke bare avhenger effektiviteten av typen prosesser i syklusen, selv når det er best mulig prosesser (de som er reversible) brukes, den mest effektive en varmemotor kan være avhenger av den relative temperaturforskjellen mellom varmebadet og det kule badet.

Denne maksimale effektiviteten kalles Carnot-effektiviteten, og det er effektiviteten til a Carnot syklus, som er en varmemotorsyklus som består av helt reversibel prosesser.

Det er mange anvendelser av termodynamikk til prosesser sett i hverdagen. Ta for eksempel kjøleskapet ditt. Et kjøleskap fungerer som en termodynamisk syklus.

Først komprimerer en kompressor kjølemediumdamp, noe som forårsaker trykkstigning og skyver den fremover i spoler på utsiden av kjøleskapet. Hvis du føler disse spolene, vil de føles varme å ta på.

Den omkringliggende luften får dem til å avkjøles, og den varme gassen blir tilbake til en væske. Denne væsken avkjøles ved høyt trykk når den strømmer inn i spoler inne i kjøleskapet, absorberer varme og kjøler ned luften. Når den er varm nok, fordamper den til gass igjen og går tilbake i kompressoren, og syklusen gjentas.

Varmepumper, som kan varme og kjøle huset ditt, fungerer på lignende prinsipper.