Termodynamik: definition, lagar och ekvationer

För många människor låter termodynamik som en läskig gren av fysik som bara de smarta människorna kan förstå. Men med en del grundläggande kunskaper och lite arbete kan vem som helst förstå det här området.

Termodynamik är en gren av fysik som utforskar pågående i fysiska system på grund av överföring av värmeenergi. Fysiker från Sadi Carnot till Rudolf Clausius och James Clerk Maxwell till Max Planck har alla haft en hand i utvecklingen.

Ordet "termodynamik" kommer från de grekiska rötterna termos, vilket betyder varmt eller varmt, och dynamikos, vilket betyder kraftfull, men senare tolkningar av roten tillskriver betydelsen av handling och rörelse till den. I huvudsak är termodynamik studien av värmeenergi i rörelse.

Termodynamik handlar om hur värmeenergi kan genereras och omvandlas till olika energiformer såsom mekanisk energi. Den utforskar också begreppet ordning och störningar i fysiska system såväl som energieffektivitet hos olika processer.

En djupgående studie av termodynamik bygger också mycket på

Problemet är dock att det är omöjligt att observera och redogöra för varje molekyls individuella verkan, så statistiska metoder används istället och med stor noggrannhet.

En del grundläggande arbete relaterade till termodynamik utvecklades redan på 1600-talet. Boyles lag, utvecklad av Robert Boyle, bestämde förhållandet mellan tryck och volym, vilket så småningom ledde till den ideala gaslagen i kombination med Charles lag och Gay-Lussacs lag.

Det var först 1798 att värme förstås som en form av energi av greve Rumford (aka Sir Benjamin Thompson). Han observerade att värme som genererades var proportionell mot det arbete som gjorts för att vända ett tråkigt verktyg.

I början av 1800-talet gjorde den franska militäringenjören Sadi Carnot ett betydande arbete utveckla konceptet för en värmemotorcykel, liksom idén om reversibilitet i en termodynamik bearbeta. (Vissa processer fungerar lika bra bakåt i tiden som framåt i tiden; dessa processer kallas reversibla. Många andra processer fungerar bara i en riktning.)

Carnots arbete ledde till utvecklingen av ångmotorn.

Senare formulerade Rudolf Clausius termodynamikens första och andra lag, som beskrivs senare i denna artikel. Termodynamikområdet utvecklades snabbt på 1800-talet när ingenjörer arbetade för att effektivisera ångmaskiner.

Termodynamiska egenskaper och kvantiteter inkluderar följande:

• Värme, vilket är energi som överförs mellan objekt vid olika temperaturer.
• Temperatur, vilket är ett mått på den genomsnittliga kinetiska energin per molekyl i ett ämne.
• Inre energi, som är summan av molekylär kinetisk energi och potentiell energi i ett molekylsystem.
• Tryck, vilket är ett mått på kraften per ytenhet på en behållare som innehåller ett ämne.
• Volym är det tredimensionella utrymmet som ett ämne tar upp.
• Mikrostatar är de tillstånd som enskilda molekyler är i.
• Makrostat är de större staterna som samlingar av molekyler finns i.
• Entropi är ett mått på störningen i ett ämne. Det definieras matematiskt i termer av mikrostatus, eller motsvarande, i termer av förändringar i värme och temperatur.

Många olika vetenskapliga termer används i studiet av termodynamik. För att förenkla dina egna undersökningar, här är en lista med definitioner av vanliga termer:

• Termisk jämvikt eller termodynamisk jämvikt: Ett tillstånd där alla delar av ett slutet system har samma temperatur.
• Absolut noll Kelvin: Kelvin är SI-enheten för temperatur. Det lägsta värdet på denna skala är noll eller absolut noll. Det är den kallaste möjliga temperaturen.
• Termodynamiskt system: Varje slutet system som innehåller interaktioner och utbyte av termisk energi.
• Isolerat system: Ett system som inte kan utbyta energi med något utanför det.
• Värmeenergi eller termisk energi: Det finns många olika energiformer; bland dem är termisk energi, vilket är den energi som är förknippad med molekylernas kinetiska rörelse i ett system.
• Gibbs fri energi: En termodynamisk potential som används för att bestämma den maximala mängden reversibelt arbete i ett system.
• Specifik värmekapacitet: Mängden värmeenergi som krävs för att ändra temperaturen på en enhetsmassa av ett ämne med 1 grad. Det beror på typ av ämne och är ett nummer som vanligtvis slås upp i tabeller.
• Idealisk gas: En förenklad gasmodell som gäller de flesta gaser vid standardtemperatur och -tryck. Gasmolekylerna antas kollidera i perfekt elastiska kollisioner. Det antas också att molekylerna är tillräckligt långt ifrån varandra för att de ska kunna behandlas som punktmassor.

Det finns tre huvudsakliga lagar om termodynamik (kallas första lag, andra lag och tredje lag) men det finns också en noll lag. Dessa lagar beskrivs enligt följande:

De noll lag av termodynamik är förmodligen den mest intuitiva. Det anges att om ämne A är i termisk jämvikt med ämne B, och ämne B är i termiskt jämvikt med substans C, därefter följer att substans A måste vara i termisk jämvikt med ämne C.

De termodynamikens första lag är i grunden ett uttalande om lagen om energibesparing. Den säger att förändringen i ett internt energi är lika med skillnaden mellan värmeenergin som överförs till systemet och det arbete som utförts av systemet på dess omgivning.

De andra termodynamiklagen, ibland kallad lagen som innebär en tidspil - säger att den totala entropin i ett slutet system bara kan förbli konstant eller öka när tiden går framåt. Entropi kan ses löst som ett mått på störningar i ett system, och denna lag kan tänkas löst som att "saker tenderar att blanda ihop ju mer du skakar upp dem, i motsats till unmixing. ”

De tredje lag om termodynamik säger att entropin i ett system närmar sig ett konstant värde när temperaturen i ett system närmar sig absolut noll. Eftersom det vid absolut noll inte finns någon molekylär rörelse är det vettigt att entropin inte skulle förändras vid den punkten.

Termodynamik använder sig av statistisk mekanik. Detta är en gren av fysik som tillämpar statistik för både klassisk och kvantfysik.

Statistisk mekanik gör det möjligt för forskare att arbeta med makroskopiska mängder på ett enklare sätt än med mikroskopiska mängder. Tänk till exempel på temperatur. Det definieras som den genomsnittliga kinetiska energin per molekyl i ett ämne.

Vad händer om du istället behöver bestämma den faktiska kinetiska energin för varje molekyl, och mer än så, hålla koll på varje kollision mellan molekyler? Det skulle vara nästan omöjligt att komma framåt. I stället används statistiska tekniker som möjliggör en förståelse av temperatur, värmekapacitet och så vidare som större egenskaper hos ett material.

Dessa egenskaper beskriver genomsnittligt beteende i materialet. Detsamma gäller kvantiteter som tryck och entropi.

A värmemotor är ett termodynamiskt system som omvandlar värmeenergi till mekanisk energi. Ångmotorer är ett exempel på en värmemotor. De arbetar med högt tryck för att flytta en kolv.

Värmemotorer arbetar på någon form av komplett cykel. De har någon form av värmekälla, som vanligtvis kallas värmebadet, som gör att de kan ta in värmeenergi. Den värmeenergin orsakar då någon form av termodynamisk förändring i systemet, såsom att öka trycket eller expandera en gas.

När en gas expanderar fungerar den på miljön. Ibland ser det ut som att en kolv rör sig i en motor. I slutet av en cykel används ett kallt bad för att återföra systemet till sin startpunkt.

Värmemotorer tar in värmeenergi, använder den för att göra användbart arbete och avger sedan eller förlorar lite värmeenergi till miljön under processen. De effektivitet för en värmemotor definieras som förhållandet mellan den användbara arbetseffekten och nettotillförseln.

Inte överraskande vill forskare och ingenjörer att deras värmemotorer ska vara så effektiva som möjligt - omvandla maximala mängder värmeenergi till nyttigt arbete. Du kanske tror att den mest effektiva en värmemotor kan vara är 100 procent effektiv, men detta är felaktigt.

Faktum är att det finns en gräns för den maximala verkningsgraden för en värmemotor. Effektiviteten beror inte bara på typen av processer i cykeln, även när det är bäst möjligt processer (de som är reversibla) används, den mest effektiva en värmemotor kan vara beror på den relativa temperaturskillnaden mellan värmebadet och det svala badet.

Denna maximala effektivitet kallas Carnot-effektiviteten, och det är effektiviteten hos a Carnot cykel, som är en värmemotorcykel som består av helt reversibel processer.

Det finns många tillämpningar av termodynamik till processer sett i vardagen. Ta till exempel ditt kylskåp. Ett kylskåp fungerar av en termodynamisk cykel.

Först komprimerar en kompressor kylmedelsånga, vilket orsakar tryckstegring och skjuter den framåt i spolar på utsidan av kylskåpet. Om du känner dessa spolar kommer de att kännas varma vid beröring.

Den omgivande luften får dem att svalna och den heta gasen förvandlas till en vätska. Denna vätska kyls ner vid högt tryck när den rinner in i spolar inuti kylen, absorberar värme och kyler ner luften. När det är tillräckligt varmt, avdunstar det igen till gas och går tillbaka in i kompressorn, och cykeln upprepas.

Värmepumpar, som kan värma och kyla ditt hus, fungerar på liknande principer.