Краткий обзор термодинамики и основные понятия

Термодинамика является область физики что касается отношений между высокая температура и другие свойства (такие как давление, плотность, температураи т. д.) в веществе.

В частности, термодинамика фокусируется в основном на том, как теплопередача связано с различными изменениями энергии в физической системе, которая подвергается термодинамическому процессу. Такие процессы обычно приводят к Работа делается системой и руководствуется законы термодинамики.

Вообще говоря, тепло материала понимается как представление энергии, содержащейся в частицах этого материала. Это известно как кинетическая теория газовхотя концепция в различной степени применима и к твердым веществам и жидкостям. Тепло от движения этих частиц может передаваться соседним частицам и, следовательно, другим частям материала или другим материалам различными способами:

• Термальный контакт это когда два вещества могут влиять на температуру друг друга.
• Тепловое равновесие это когда два вещества в тепловом контакте больше не передают тепло.
instagram viewer
• Тепловое расширение имеет место, когда вещество расширяется в объеме, поскольку оно получает тепло. Тепловое сжатие также существует.
• кондукция когда тепло течет через нагретое твердое тело.
• конвекция это когда нагретые частицы передают тепло другому веществу, например, готовят что-то в кипящей воде.
• излучения это когда тепло передается с помощью электромагнитных волн, таких как от солнца.
• изоляция это когда материал с низкой проводимостью используется для предотвращения передачи тепла.

Система подвергается термодинамический процесс когда в системе происходят какие-то энергетические изменения, обычно связанные с изменениями давления, объема, внутренней энергии (то есть температуры) или любого рода теплопередачи.

Существует несколько конкретных типов термодинамических процессов, которые обладают особыми свойствами:

• Адиабатический процесс - процесс без передачи тепла внутрь или наружу системы.
• Изохорический процесс - процесс без изменения объема, в этом случае система не работает.
• Изобарный процесс - процесс без изменения давления.
• Изотермический процесс - процесс без изменения температуры.

Состояние вещества - это описание типа физической структуры, которую проявляет материальная субстанция, со свойствами, которые описывают, как материал скрепляется (или нет). Есть пять состояния веществахотя только первые три из них обычно включаются в то, как мы думаем о состояниях материи:

• газ
• жидкость
• твердый
• плазма
• сверхтекучий (такой как Конденсат Бозе-Эйнштейна)

Многие вещества могут переходить между газовой, жидкой и твердой фазами вещества, в то время как известно, что лишь немногие редкие вещества могут войти в сверхтекучее состояние. Плазма - это отдельное состояние материи, такое как молния

• конденсация - газ в жидкость
• замораживание - от жидкости к твердому веществу
• плавление - от твердого к жидкому
• сублимация - твердый газ
• испарение - жидкость или твердое вещество в газ

Теплоемкость, С, объекта - это коэффициент изменения тепла (изменение энергии, ΔQгде греческий символ Delta, Δ, обозначает изменение количества) для изменения температуры (ΔT).

С = Δ Q / Δ T

Теплоемкость вещества указывает на легкость, с которой вещество нагревается. хороший теплопроводник будет иметь низкая теплоемкость, указывая, что небольшое количество энергии вызывает большое изменение температуры. Хороший теплоизолятор обладает большой теплоемкостью, что указывает на необходимость значительного переноса энергии для изменения температуры.

Есть разные уравнения идеального газа которые относятся к температуре (T₁), давление (п₁) и объем (В₁). Эти значения после термодинамического изменения обозначены как (T₂), (п₂), и (В₂). Для данного количества вещества, N (измеряется в молях), имеют место следующие отношения:

Закон Бойля ( T постоянно):
п₁В₁ = п₂В₂
Закон Чарльза / Гей-Люссака (п постоянно):
В₁/T₁ = В₂/T₂
Закон об идеальном газе:
п₁В₁/T₁ = п₂В₂/T₂ = пк

р это постоянная идеального газа, р = 8,3145 Дж / моль * К. Следовательно, для данного количества вещества пк является постоянным, что дает закон идеального газа.

• Нулевой закон термодинамики - две системы, каждая в тепловом равновесии с третьей системой, находятся в тепловом равновесии друг с другом.
• Первый закон термодинамики - Изменение энергии системы - это количество энергии, добавленной в систему, за вычетом энергии, затраченной на выполнение работы.
• Второй закон термодинамики - Невозможно, чтобы процесс имел в качестве единственного результата передачу тепла от более холодного тела к более горячему.
• Третий закон термодинамики - Невозможно свести какую-либо систему к абсолютному нулю в конечном ряде операций. Это означает, что невозможно создать абсолютно эффективный тепловой двигатель.

Второй закон термодинамики можно переформулировать, чтобы говорить о энтропия, который является количественным измерением беспорядка в системе. Изменение тепла, деленное на абсолютная температура это изменение энтропии процесса. Определенный таким образом, Второй Закон может быть переформулирован как:

В любой замкнутой системе энтропия системы будет либо оставаться постоянной, либо увеличиваться.

По "закрытая система" это означает, что каждый Часть процесса включается при расчете энтропии системы.

В некотором смысле трактовка термодинамики как отдельной дисциплины физики вводит в заблуждение. Термодинамика затрагивает практически все области физики, от астрофизики до биофизики, потому что все они так или иначе связаны с изменением энергии в системе. Без способности системы использовать энергию внутри системы для выполнения работы - сердце термодинамики - физикам было бы нечему учиться.

Это сказанное, есть некоторые области, использующие термодинамику мимоходом, поскольку они идут об изучении других явлений, в то время как есть широкий спектр областей, которые в значительной степени сосредоточены на термодинамических ситуациях участвует. Вот некоторые из областей термодинамики:

• Криофизика / Криогеника / Физика низких температур - изучение физические свойства в ситуациях с низкой температурой температура намного ниже, чем в самых холодных регионах Земли. Примером этого является изучение сверхтекучих жидкостей.
• Гидродинамика / Гидродинамика - изучение физических свойств «жидкостей», конкретно определенных в данном случае как жидкости и газы.
• Физика высокого давления - изучение физики в системах с очень высоким давлением, как правило, связанных с динамикой жидкости.
• Метеорология / Физика погоды - физика погоды, системы давления в атмосфере и т. д.
• Физика плазмы - исследование вещества в плазменном состоянии.