Termodinamikos apžvalga ir pagrindinės sąvokos

Termodinamika yra fizikos sritis kuriame nagrinėjami santykiai tarp šiluma ir kitos savybės (tokios kaip slėgis, tankis, temperatūrair kt.) medžiagoje.

Tiksliau sakant, termodinamika daugiausia orientuojasi į tai, kaip a šilumos perdavimas yra susijęs su įvairiais energijos pokyčiais fizinėje sistemoje, kurioje vyksta termodinaminis procesas. Tokie procesai paprastai sukelia darbas yra atliekama sistemos ir vadovaujasi termodinamikos dėsniai.

Medžiagos šiluma suprantama kaip energijos, esančios tos medžiagos dalelėse, atvaizdavimas. Tai vadinama kinetinė dujų teorija, nors ši sąvoka įvairiais laipsniais taikoma ir kietosioms medžiagoms bei skysčiams. Šių dalelių judėjimo šiluma įvairiomis priemonėmis gali pereiti į šalia esančias daleles, taigi į kitas medžiagos dalis ar kitas medžiagas:

• Šiluminis kontaktas yra tada, kai dvi medžiagos gali paveikti viena kitos temperatūrą.
• Šiluminė pusiausvyra yra tada, kai dvi šilumoje sąlytyje esančios medžiagos nebeperduoda šilumos.
instagram viewer
• Šiluminis išsiplėtimas įvyksta, kai medžiagos tūris plečiasi, nes įgauna šilumą. Taip pat egzistuoja terminis susitraukimas.
• Laidumas yra tada, kai šiluma teka per pašildytą kietą medžiagą.
• Konvekcija yra tada, kai įkaitusios dalelės perduoda šilumą kitai medžiagai, pavyzdžiui, verdant ką nors verdančiame vandenyje.
• Spinduliuotė yra tada, kai šiluma perduodama per elektromagnetines bangas, pavyzdžiui, iš saulės.
• Izoliacija yra tada, kai šilumos laidumui išvengti naudojama mažai laidžios medžiagos.

Sistema patiria: a termodinaminis procesas kai sistemoje vyksta tam tikri energetiniai pokyčiai, paprastai siejami su slėgio, tūrio, vidinės energijos (t. y. temperatūros) pokyčiais ar bet kokiu šilumos perdavimu.

Yra keletas specifinių termodinaminių procesų tipų, pasižyminčių ypatingomis savybėmis:

• Adiabatinis procesas - procesas be šilumos perdavimo į sistemą arba iš jos.
• Izochorinis procesas - procesas, kurio metu nekinta apimtis, tokiu atveju sistema neveikia.
• Izobarinis procesas - procesas, kurio metu nepasikeičia slėgis.
• Izoterminis procesas - procesas nekeičiant temperatūros.

Medžiagos būsena yra fizinės struktūros, kurią pasireiškia materiali medžiaga, aprašymas su savybėmis, kurios apibūdina, kaip medžiaga laikosi (ar ne). Yra penki materijos būsenos, nors į mąstymą apie materijos būseną paprastai įtraukiami tik pirmieji trys iš jų:

• dujos
• skystas
• kietas
• plazma
• superfluidas (pvz., a Boso-Einšteino kondensatas)

Daugybė medžiagų gali pereiti tarp medžiagų dujų, skystų ir kietų fazių, tuo tarpu žinoma, kad tik kelios retos medžiagos gali patekti į skysčio perteklių. Plazma yra atskira materijos būsena, tokia kaip žaibas

• kondensatas - dujos į skystį
• užšalimas - skystas iki kieto
• lydymasis - kietas iki skysto
• sublimacija - kietas iki dujų
• garinimas - skystas arba kietas iki dujų

Šilumos talpa, C, objekto yra šilumos pokyčio santykis (energijos pokytis, ΔQ, kur graikiškas simbolis Delta Δ reiškia kiekio pokyčius) temperatūros pokyčiui (ΔT).

C = Δ Q / Δ T

Medžiagos šiluminė talpa rodo, kaip lengvai medžiaga įkaista. A geras šilumos laidininkas turėtų maža šilumos talpa, nurodant, kad nedidelis energijos kiekis sukelia didelį temperatūros pokytį. Geras šilumos izoliatorius turėtų didelę šilumos galią, tai rodo, kad norint pakeisti temperatūrą reikia daug energijos.

Yra įvairių idealios dujų lygtys kurios susijusios su temperatūra (T₁), slėgis (P₁) ir tūris (V₁). Šios vertės po termodinaminio pokyčio nurodomos (T₂), (P₂) ir (V₂). Tam tikram medžiagos kiekiui n (matuojant moliais), galioja šie santykiai:

Boyle'io dėsnis ( T yra pastovi):
P₁V₁ = P₂V₂
Charleso / Gay-Lussaco įstatymas (P yra pastovi):
V₁/T₁ = V₂/T₂
Idealių dujų įstatymas:
P₁V₁/T₁ = P₂V₂/T₂ = nR

R yra ideali dujų konstanta, R = 8,3145 J / mol * K. Taigi tam tikram medžiagos kiekiui nR yra pastovus, kuris suteikia idealių dujų įstatymą.

• Termodinamikos nulio įstatymas - Dvi sistemos kiekvienoje yra pusiausvyroje su trečiąja sistema ir yra pusiausvyroje viena su kita.
• Pirmasis termodinamikos dėsnis - Sistemos energijos pokytis yra į sistemą pridėtos energijos kiekis atėmus energiją, išleistą dirbant.
• Antrasis termodinamikos dėsnis - Neįmanoma, kad dėl proceso vienintelė šiluma būtų perduodama iš aušintuvo kūno į karštesnį.
• Trečiasis termodinamikos dėsnis - Neįmanoma sumažinti jokios sistemos iki absoliutaus nulio atliekant baigtinę operacijų seką. Tai reiškia, kad negalima sukurti visiškai efektyvaus šilumos variklio.

Antrasis termodinamikos dėsnis gali būti pakartotas, kad būtų galima apie tai kalbėti entropija, kuris yra kiekybinis sistemos sutrikimo matavimas. Šilumos pokytis padalytas iš absoliuti temperatūra yra entropijos pokytis proceso. Tokiu būdu apibrėžtą antrąjį įstatymą galima pakartoti taip:

Bet kurioje uždaroje sistemoje sistemos entropija arba išliks pastovi, arba padidės.

Pagal „uždara sistema" tai reiškia kad kiekviena skaičiuojant sistemos entropiją, įtraukiama dalis proceso.

Tam tikru požiūriu termodinamikos traktavimas kaip atskira fizikos disciplina yra klaidinantis. Termodinamika liečia beveik visas fizikos sritis, pradedant astrofizika ir baigiant biofizika, nes visi jie tam tikru būdu yra susiję su energijos pokyčiais sistemoje. Be sistemos sugebėjimo panaudoti sistemoje energiją darbui - termodinamikos širdžiai - fizikai nieko neištyrinėtų.

Atsižvelgiant į tai, kai kuriuose laukuose naudojama termodinamika, einant studijuojant kitus reiškiniai, nors yra daugybė sričių, kuriose didelis dėmesys skiriamas termodinamikos situacijoms dalyvauja. Čia yra keletas termodinamikos poskyrių:

• Kriofizika / Cryogenics / Fizika žemoje temperatūroje - tyrimas fizinės savybės esant žemoms temperatūroms, daug žemesnėms nei žemiausiuose žemės regionuose. To pavyzdys yra superfluidų tyrimas.
• Skysčių dinamika / skysčių mechanika - „skysčių“, šiuo atveju apibrėžtų kaip skysčiai ir dujos, fizinių savybių tyrimas.
• Aukšto slėgio fizika - fizikos studijos ypač aukšto slėgio sistemose, paprastai susijusiose su skysčių dinamika.
• Meteorologija / Oro fizika - oro fizika, slėgio sistemos atmosferoje ir kt.
• Plazmos fizika - medžiagos, esančios plazmoje, tyrimas.