Termodinamikas pārskats un pamatjēdzieni

Termodinamika ir fizikas joma kas nodarbojas ar attiecībām starp karstums un citas īpašības (piemēram, spiediens, blīvums, temperatūrautt.).

Termodinamika galvenokārt koncentrējas uz to, kā a siltuma pārnešana ir saistīts ar dažādām enerģijas izmaiņām fizikālā sistēmā, kurā notiek termodinamiskais process. Šādi procesi parasti rada darbs ko veic sistēma, un to vada termodinamikas likumi.

Plaši runājot, materiāla siltums tiek saprasts kā enerģijas attēlojums, kas atrodas šī materiāla daļiņās. To sauc par gāzu kinētiskā teorija, lai gan jēdziens dažādās pakāpēs attiecas arī uz cietām vielām un šķidrumiem. Siltums, kas rodas no šo daļiņu kustības, dažādos veidos var nokļūt tuvumā esošajās daļiņās, tātad citās materiāla daļās vai citos materiālos:

• Termiskais kontakts ir tad, kad divas vielas var ietekmēt viena otras temperatūru.
• Termiskais līdzsvars ir tad, kad divas vielas, kas atrodas saskarē, vairs nepārnes siltumu.
• Termiska izplešanās notiek, kad viela paplašinās apjomā, iegūstot siltumu. Pastāv arī termiskā kontrakcija.
instagram viewer
• Diriģēšana ir tad, kad siltums plūst caur sakarsētu cietu vielu.
• Konvekcija ir tad, kad sakarsētas daļiņas pārnes siltumu uz citu vielu, piemēram, kaut ko vārot verdošā ūdenī.
• Starojums ir tad, kad siltumu pārnes caur elektromagnētiskiem viļņiem, piemēram, no saules.
• Izolācija ir tad, kad siltuma pārneses novēršanai tiek izmantots materiāls ar zemu vadītspēju.

Sistēma iziet a termodinamiskais process kad sistēmā notiek kaut kādas enerģētiskas izmaiņas, kas parasti ir saistītas ar spiediena, tilpuma, iekšējās enerģijas (t.i., temperatūras) izmaiņām vai jebkura veida siltuma pārnesi.

Ir vairāki specifiski termodinamisko procesu veidi, kuriem ir īpašas īpašības:

• Adiabātiskais process - process bez siltuma pārneses sistēmā vai no tās.
• Izohora process - process bez apjoma izmaiņām, šajā gadījumā sistēma nedarbojas.
• Izobārs process - process bez spiediena izmaiņām.
• Izotermisks process - process bez temperatūras izmaiņām.

Materiāla stāvoklis ir materiālās vielas fizikālās struktūras veida apraksts, kurai raksturīgas īpašības, kas apraksta, kā materiāls turas (vai nav). Ir pieci agregātstāvokļi, lai gan domājot par matērijas stāvokli, parasti tiek iekļauti tikai pirmie trīs no tiem:

• gāze
• šķidrums
• ciets
• plazma
• superfluid (piemēram, Bose-Einšteina kondensāts)

Daudzas vielas var pāriet no vielas gāzveida, šķidrā un cietā fāzes, savukārt ir zināms, ka tikai dažas reti sastopamas vielas var nonākt superšķidrumā. Plazma ir atšķirīgs matērijas stāvoklis, piemēram, zibens

• kondensāts - gāze līdz šķidrumam
• sasalšana - šķidrs līdz ciets
• kušana - cieta līdz šķidra
• sublimācija - cieta līdz gāzei
• iztvaikošana - šķidra vai cieta līdz gāzei

Siltumspēja, C, objekta vērtība ir siltuma izmaiņu attiecība (enerģijas izmaiņas, ΔQ, kur grieķu simbols Delta, Δ apzīmē daudzuma izmaiņas) temperatūras izmaiņām (ΔT).

C = Δ Q / Δ T

Vielas siltumietilpība norāda, cik viegli viela uzkarst. A labs siltumvadītājs būtu a zema siltuma jauda, norādot, ka neliels enerģijas daudzums izraisa lielas temperatūras izmaiņas. Labam siltumizolatoram būtu liela siltuma jauda, ​​kas norāda, ka temperatūras maiņai ir nepieciešama liela enerģijas pārvade.

Ir dažādi ideāli gāzes vienādojumi kas attiecas uz temperatūru (T₁), spiediens (Lpp₁) un tilpumu (V₁). Šīs vērtības pēc termodinamiskās izmaiņas tiek apzīmētas ar (T₂), (Lpp₂), un (V₂). Par noteiktu vielas daudzumu n (mērot molos), pastāv šādas sakarības:

Boilija likums ( T ir nemainīgs):
Lpp₁V₁ = Lpp₂V₂
Kārļa / Geja-Lussaka likums (Lpp ir nemainīgs):
V₁/T₁ = V₂/T₂
Ideālas gāzes likums:
Lpp₁V₁/T₁ = Lpp₂V₂/T₂ = nR

R ir ideāla gāzes konstante, R = 8,3145 J / mol * K. Tāpēc par noteiktu vielas daudzumu nR ir nemainīgs, kas dod ideālas gāzes likumu.

• Termodinamikas nulles likums - Divas sistēmas katra ir termiskā līdzsvarā ar trešo sistēmu viena otrai ir termiskā līdzsvarā.
• Pirmais termodinamikas likums - Sistēmas enerģijas izmaiņas ir sistēmai pievienotās enerģijas daudzums, no kura atskaitīta enerģija, kas iztērēta, veicot darbu.
• Otrais termodinamikas likums - Procesa vienīgais rezultāts nav siltuma pārnešana no vēsāka ķermeņa uz karstāku.
• Trešais termodinamikas likums - Nevar samazināt nevienu sistēmu līdz absolūtai nullei ierobežotā darbību sērijā. Tas nozīmē, ka nevar izveidot pilnīgi efektīvu siltuma motoru.

Otro termodinamikas likumu var atkārtot, lai par to runātu entropija, kas ir traucējumu kvantitatīvs mērījums sistēmā. Siltuma izmaiņas dalītas ar absolūtā temperatūra ir entropijas izmaiņas procesa gaita. Šādi definējot, otro likumu var atkārtot šādi:

Jebkurā slēgtā sistēmā sistēmas entropija vai nu paliks nemainīga, vai arī palielināsies.

Autors:slēgta sistēma" tas nozīmē, ka katrs aprēķinot sistēmas entropiju, tiek iekļauta daļa procesa.

Dažos veidos termodinamikas uzskatīšana par atsevišķu fizikas disciplīnu ir maldinoša. Termodinamika skar praktiski ikvienu fizikas jomu, sākot no astrofizikas un beidzot ar biofiziku, jo tie visi zināmā mērā ir saistīti ar enerģijas izmaiņām sistēmā. Bez sistēmas iespējas fizikā izmantot enerģiju, lai veiktu darbu - termodinamikas sirds - fiziķiem nekas nebūtu jāpēta.

Jāsaka, ka dažos laukos termodinamika tiek izmantota garāmgājienos, kad viņi dodas studēt citus parādības, lai gan ir plašs lauku diapazons, kas galvenokārt koncentrējas uz termodinamikas situācijām iesaistīti. Šeit ir daži termodinamikas apakšlauki:

• Kriofizika / Kriogēnika / Fizika ar zemu temperatūru - pētījums par fizikālās īpašības situācijās ar zemu temperatūru, tālu zemāk par temperatūru, kāda ir bijusi pat Zemes aukstākajos reģionos. Tā piemērs ir superfluīdu izpēte.
• Šķidruma dinamika / šķidruma mehānika - "šķidrumu" fizisko īpašību izpēte, kas šajā gadījumā ir īpaši definēti kā šķidrumi un gāzes.
• Augstspiediena fizika - fizikas studijas īpaši augsta spiediena sistēmās, kas parasti ir saistītas ar šķidruma dinamiku.
• Meteoroloģija / Laika fizika - laika apstākļu fizika, atmosfēras spiediena sistēmas utt.
• Plazmas fizika - matērijas izpēte plazmas stāvoklī.