O imagine de ansamblu a termodinamicii

Termodinamica este câmpul fizicii care se ocupă de relația dintre căldură și alte proprietăți (cum ar fi presiunea, densitatea, temperatura etc.) dintr-o substanță.

În mod specific, termodinamica se concentrează în mare măsură asupra modului în care un transfer de căldură este legat de diverse schimbări de energie într-un sistem fizic supus unui proces termodinamic. Astfel de procese au ca rezultat, de obicei, lucrul de către sistem și sunt ghidate de legile termodinamicii.

Conceptele de bază ale transferului de căldură

În linii mari, căldura unui material este înțeleasă ca o reprezentare a energiei conținute în particulele acelui material. Aceasta este cunoscută sub numele de teoria cinetică a gazelor, deși conceptul se aplică în grade diferite și la solide și lichide. Căldura din mișcarea acestor particule se poate transfera în particule din apropiere și, prin urmare, în alte părți ale materialului sau alte materiale, printr-o varietate de mijloace:

• Contact termic este atunci când două substanțe se pot afecta reciproc temperatura.
• Echilibru termic este atunci când două substanțe aflate în contact termic nu mai transferă căldura.
• Extindere termică are loc atunci când o substanță se extinde în volum pe măsură ce câștigă căldură. Există și contracție termică.
• conducție este atunci când căldura curge printr-un solid încălzit.
• Convecție este atunci când particulele încălzite transferă căldura într-o altă substanță, cum ar fi gătirea în apă clocotită.
• radiație este atunci când căldura este transferată prin unde electromagnetice, cum ar fi de la soare.
• Izolatie este atunci când un material cu conductoare reduse este utilizat pentru a preveni transferul de căldură.

Procese termodinamice

Un sistem este supus unui proces termodinamic atunci când există un fel de schimbare energetică în sistem, în general asociată cu schimbări de presiune, volum, energie internă (adică temperatura) sau orice fel de transfer de căldură.

Există mai multe tipuri specifice de procese termodinamice care au proprietăți speciale:

• Procesul adiabatic - un proces fără transfer de căldură în sau din sistem.
• Procesul ischoric - un proces fără modificări de volum, caz în care sistemul nu funcționează.
• Proces izobaric - proces fără modificări de presiune.
• Procesul izotermic - un proces fără modificări de temperatură.

State of Matter

O stare a materiei este o descriere a tipului de structură fizică pe care o substanță materială o manifestă, cu proprietăți care descriu modul în care materialul ține (sau nu). Există cinci stări de materie, deși doar primele trei dintre ele sunt de obicei incluse în modul în care ne gândim la stările de materie:

• gaz
• lichid
• solid
• plasmă
• superfluid (cum ar fi un condensat Bose-Einstein)

Multe substanțe pot tranziția între fazele de gaz, lichide și solide ale materiei, în timp ce doar câteva substanțe rare sunt cunoscute pentru a putea intra într-o stare de superfluid. Plasma este o stare distinctă a materiei, cum ar fi fulgerul 

• condensare - gaz la lichid
• înghețare - lichid la solid
• topirea - solid la lichid
• sublimare - solid la gaz
• vaporizare - lichid sau solid la gaz

Capacitate de căldură

Capacitatea de căldură, C, a unui obiect este raportul dintre schimbarea căldurii (schimbare de energie, ΔQ, unde simbolul grecesc Delta, Δ, semnifică o modificare a cantității) pentru a schimba temperatura (Δ)T).

C = Δ Q / Δ T

Capacitatea termică a unei substanțe indică ușurința cu care o substanță se încălzește. Un bun conductor termic ar avea o capacitate de căldură scăzută, ceea ce indică faptul că o cantitate mică de energie provoacă o schimbare mare a temperaturii. Un bun izolator termic ar avea o capacitate mare de căldură, ceea ce indică faptul că este nevoie de mult transfer de energie pentru o schimbare de temperatură.

Ecuații de gaze ideale

Există diverse ecuații ideale de gaz care se referă la temperatură (T₁), presiune (P₁) și volumul (V₁). Aceste valori după o modificare termodinamică sunt indicate de (T₂), (P₂), și (V₂). Pentru o cantitate dată de o substanță, n (măsurate în alunițe), următoarele relații păstrează:

Legea lui Boyle ( T este constant):
P ₁ V ₁ = P ₂ V ₂
Charles / Gay-Lussac Law (P este constant):
V₁/T₁ = V₂/T₂
Legea gazelor ideale:
P₁V₁/T₁ = P₂V₂/T₂ = nR

R este constantă de gaz ideală, R = 8,3145 J / mol * K. Prin urmare, pentru o anumită cantitate de materie, nR este constantă, ceea ce dă Legea gazelor ideale.

Legile termodinamicii

• Legea termodinamicii Zeroeth - Două sisteme fiecare în echilibru termic cu un al treilea sistem sunt în echilibru termic unul față de celălalt.
• Prima lege a termodinamicii - Schimbarea energiei unui sistem este cantitatea de energie adăugată în sistem minus energia cheltuită pentru a lucra.
• A doua lege a termodinamicii - Este imposibil ca un proces să aibă ca singur rezultat transferul de căldură de la un corp mai rece la unul mai cald.
• A treia lege a termodinamicii - Este imposibil de a reduce orice sistem la zero absolut într-o serie finită de operații. Aceasta înseamnă că nu se poate crea un motor termic perfect eficient.

A doua lege și entropie

A doua lege a termodinamicii poate fi redusă pentru a vorbi despre entropie, care este o măsurare cantitativă a tulburării într-un sistem. Schimbarea căldurii împărțită la temperatura absolută este schimbarea de entropie a procesului. Definită în acest fel, a doua lege poate fi declarată astfel:

În orice sistem închis, entropia sistemului va rămâne constantă sau va crește.

Prin „sistem închis” înseamnă că fiecare o parte a procesului este inclusă la calcularea entropiei sistemului.

Mai multe despre termodinamică

În unele moduri, tratarea termodinamicii ca o disciplină distinctă a fizicii este înșelătoare. Termodinamica atinge practic toate domeniile fizicii, de la astrofizică la biofizică, deoarece toate se ocupă într-o anumită modă de schimbarea energiei într-un sistem. Fără abilitatea unui sistem de a folosi energia în cadrul sistemului pentru a lucra - inima termodinamicii - nu ar fi nimic pentru fizicieni să studieze.

Acestea fiind spuse, există unele câmpuri care folosesc termodinamica în timp ce se ocupă de studierea altor fenomene, în timp ce există o gamă largă de câmpuri care se concentrează puternic pe situațiile de termodinamică implicate. Iată câteva dintre sub-câmpurile termodinamicii:

• Criofizică / criogenă / fizică la temperatură joasă - studiul proprietăților fizice în situații de temperatură scăzută, cu mult sub temperaturi experimentate chiar și în cele mai reci regiuni ale Pământului. Un exemplu în acest sens este studiul superfluidelor.
• Dinamica fluidelor / Mecanica fluidelor - studiul proprietăților fizice ale „fluidelor”, specific definite în acest caz pentru a fi lichide și gaze.
• Fizica de înaltă presiune - studiul fizicii în sisteme de presiune extrem de ridicată, în general legate de dinamica fluidelor.
• Meteorologie / fizica vremii - fizica vremii, sistemele de presiune din atmosferă, etc..
• Fizica plasmatică - studiul materiei în stare plasmatică.